1451
Фізики з Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) та Університету Ростока продемонстрували, що потужні лазери можуть перетворювати звичайний пластик на мільярди крихітних діамантів і при цьому зберігати їх неушкодженими. Як повідомляє SciTechDaily, їм вдалося не лише створити нанодіаманти в екстремальних умовах, а й «упіймати» їх після повернення до нормального тиску та температури.
Отримані частинки мали середній розмір близько 3 нанометрів — це три мільярдні частки метра — і містили приблизно 3 000 атомів вуглецю у кожному кристалі. Така комбінація надзвичайно малого розміру, високої чистоти та майже однакових розмірів частинок недосяжна для традиційних методів, зокрема вибухового синтезу.
Моделювання надр крижаних гігантів
Початково ці експерименти були спрямовані на відтворення умов усередині далеких планет, таких як Нептун і Уран. Там температура сягає кількох тисяч градусів Цельсія, а тиск у мільйони разів перевищує атмосферний на Землі. Під час попередніх робіт вчені вже бачили, що за таких умов вуглець у пластику переходить у форму діаманта, але спостерігати кристали вдавалося лише мить, поки тривали екстремальні умови.
За словами Домініка Крауса (Dominik Kraus), засновника Інституту фізики високих енергетичних густин HEDI в HZDR і професора Університету Ростока, команда очікувала утворення нанодіамантів, але їх вразила швидкість цього процесу. Саме це наштовхнуло дослідників на думку про можливі технічні застосування такого методу.
Як «пом’якшити посадку» діамантів, що летять, як метеорити
Щоб зібрати частинки для детального аналізу, команда провела серію експериментів на лазерному комплексі Extreme Light Infrastructure (ELI) на південь від Праги. На установці L4n-P3 високопотужний лазер тричі на хвилину опромінював плівку з ПЕТ-пластику завтовшки лише 100 мікрометрів (0,004 дюйма).
Кожен імпульс створював ударну хвилю, яка стискала пластик, перетворювала вуглець на нанодіаманти та викидала їх у напрямку збірного циліндра. Коли хвиля досягала краю зразка й виходила у вакуум, нанодіаманти розганялися до швидкостей понад 10 кілометрів за секунду — це більше 22 000 миль на годину, порівнянно з ударом метеорита.
Щоб кристали не зруйнувалися при зіткненні зі стінками збірника, дослідникам потрібне було надзвичайно м’яке середовище, придатне для роботи у вакуумі. Вони обрали водорозчинний іонний гель, який пом’якшував удар, а потім дозволяв витягти діаманти та очистити їх для подальшого вивчення.
Попри те, що кожен лазерний імпульс створював приблизно десять трильйонів нанодіамантів, команді знадобилося близько 100 пострілів, щоб зібрати всього кілька сотень мікрограмів матеріалу. Цієї кількості вистачило, аби ідентифікувати та охарактеризувати частинки за допомогою електронного мікроскопа ELMI-MV у департаменті Life, Light, & Matter Університету Ростока.
Провідний автор роботи Бен Гойзер (Ben Heuser) з HZDR, який виконував експерименти в межах своєї докторської дисертації, зазначає, що після вилучення нанодіамантів із гелю та очищення команда вперше побачила їх безпосередньо під мікроскопом. Цей прилад дозволяє розрізняти навіть окремі атоми.
Від полірувальних паст до квантових сенсорів
Нанодіаманти вже застосовують як абразиви в шліфувальних і полірувальних матеріалах, адже вони тверді, термостійкі та хімічно стабільні. Однак новий лазерний метод дає змогу отримувати ще менші, чистіші та більш однорідні частинки, що може суттєво розширити сферу їхнього використання.
Серед потенційних напрямів — медицина, створення нових матеріалів та енергетичні технології. Зокрема, нанодіаманти можуть стати основою для високочутливих квантових сенсорів, які використовують квантові ефекти для точних вимірювань, а також для контрастних агентів, що покращують видимість структур усередині тіла під час візуалізації.
Ще одна перевага надзвичайно малих діамантів — величезна сумарна площа поверхні при тій самій масі матеріалу. Це відкриває можливості для ефективнішого каталізу, наприклад, у процесах розщеплення CO₂ за допомогою сонячного світла.
Старт із пластику також полегшує введення до структури діаманта атомів інших елементів — процесу, відомого як легування. Так можна «налаштовувати» властивості нанодіамантів під конкретні завдання, зокрема покращувати контрастні агенти для МРТ-досліджень.
Більше імпульсів — більше діамантів і нові форми вуглецю
Розвиток досліджень керованого термоядерного синтезу стимулює створення енергоефективніших лазерів, здатних частіше генерувати потужні імпульси. Якщо застосувати ці досягнення до виробництва нанодіамантів, можна суттєво збільшити вихід, зробивши процес масштабованим і придатним для чистішого, більш стійкого виробництва.
Учені планують за допомогою подальших експериментів в лабораторіях Університету Ростока та на великих наукових установках вийти на рівень міліграмів продукції — це вже порівнювано з традиційними методами синтезу.
Команда також має амбітну мету — за допомогою лазерного стиснення отримати форму вуглецю під назвою BC8, яка поки що існує лише в теоретичних розрахунках. Очікується, що цей матеріал буде ще щільнішим за діамант, таким самим твердим, але менш крихким. Умови для його утворення не виникають природно на Землі, тому дослідники хочуть створити його безпосередньо з пластику, застосувавши ще вищі тиски за допомогою потужних лазерів. Перший такий експеримент уже запланований на листопад.
Лазери перетворили звичайний пластик на мільярди нанодіамантів з’явилася спочатку на Цікавості.
