157
Хіміки з Південної Кореї та Китаю розробили методику отримання штучних алмазів за атмосферного тиску і температури близько 1200 градусів Цельсія. Для синтезу вчені нагрівали сплав із галію, заліза, нікелю і кремнію в графітових тиглях в атмосфері метану і водню. На межі розділу фаз графіт-сплав утворювалися полікристалічні алмазні плівки, пишуть хіміки в Nature.
Алмаз – одна з алотропних модифікацій вуглецю – побудований із кристалів кубічної сингонії, у структурі яких кожен атом вуглецю розташований у вершині тетраедра, утвореного сусідніми чотирма атомами вуглецю. Завдяки своїй щільній структурі та міцним зв’язкам вуглець-вуглець алмаз має рекордну серед мінералів твердість і зносостійкість.
Природні алмази утворюються в мантії Землі в металевих розплавах за тиску близько п’яти гігапаскалів і температури 900-1400 градусів Цельсія. А отримувати алмази в лабораторії хіміки навчилися в середині минулого століття. Тоді вчені кристалізували алмази з розплаву сульфіду заліза за семи гігапаскалів і 1600 градусів Цельсія. Пізніше виникли й інші методи синтезу – наприклад, за допомогою хімічного осадження з газової фази. Але способів отримання алмазів за атмосферного тиску досі відкрито не було.
Однак хіміки під керівництвом Родні Руоффа (Rodney S. Ruoff) з Інституту фундаментальних наук знайшли спосіб отримання алмазів за атмосферного тиску. Вони змішали в графітовому тиглі злитки заліза і нікелю, рідкий галій і кристалічний кремній у мольному співвідношенні 11:11:77,75:0,25. Далі вчені нагрівали тигель в атмосфері метану і водню в діапазоні температур 1165-1190 градусів Цельсія близько години.
Після охолодження тигля і застигання сплаву вчені спостерігали на поверхні його зіткнення з тиглем райдужну плівку. Щоб відокремити плівку від металу, хіміки розчинили зразок у соляній кислоті. Отриману чисту плівку вони вивчили за допомогою раманівської спектроскопії, електронної мікроскопії та рентгенівської дифракції. У результаті з’ясувалося, що дослідники отримали плівку, що складається з кристалів алмазу розміром у кілька сотень нанометрів.
Щоб зрозуміти, як саме утворюються алмази, хіміки проаналізували склад поверхні металу, що прилягає до поверхні тигля, за допомогою мас-спектрометрії. Так вони дізналися, що через 15 хвилин після досягнення потрібної температури біля поверхні тигля концентрується вуглець. Причому, як показали експерименти з міченим (13CH4) метаном, вуглець переходить у розплав двома способами – під час розкладання газоподібного метану і з графітового тигля. Потім його концентрація в розплаві різко падає через початок кристалізації.
Так вчені розробили зручний спосіб отримання алмазів. На їхню думку, ключову роль у кристалізації алмазів відіграє добавка кремнію. За допомогою фотолюмінесцентних спектрів хіміки виявили в зразках алмазів дефекти кристалічної решітки типу кремній-вакансія (SiV-), які свідчать про те, що саме навколо атомів кремнію утворюються зародки алмазних кристалів.
