I en første måler forskere nettopp hvordan syntetiske diamanter vokser

Calling All Cars: Crime v. Time / One Good Turn Deserves Another / Hang Me Please (April 2019).

Anonim

Naturlig diamant er smidd av enorme trykk og temperaturer dypt under jorden. Men syntetisk diamant kan dyrkes ved kjernekraft, hvor små biter av diamant "frø" veksten av større diamantkrystaller. Det samme skjer i skyer, hvor partikler frøer veksten av iskrystaller som smelter i regndråper.

Forskere har nå observert for første gang hvordan diamanter vokser fra frø på atomnivå, og oppdaget hvor stort frøene må være å sparke krystallvokseprosessen til overdrive.

Resultatene, publisert denne uken i Proceedings of the National Academy of Sciences, kaster lys på hvordan nuklearingen fortsetter ikke bare i diamanter, men i atmosfæren, i silikonkrystaller som brukes til dataplate og til og med i proteiner som klumper sammen i nevrologiske sykdommer.

"Nukleasjonsvekst er en kjernebegrepet for materialvitenskap, og det er en teori og en formel som beskriver hvordan dette skjer i hver lærebok, sier Nicholas Melosh, professor ved Stanford University og Department of Energy SLAC National Accelerator Laboratory som ledet forskningen. "Det er hvordan vi beskriver å gå fra en materiell fase til en annen, for eksempel fra flytende vann til is."

Men interessant, sier han, "til tross for den utbredte bruken av denne prosessen overalt, var teorien bak den aldri blitt testet eksperimentelt, fordi det var ekstremt vanskelig å observere hvordan krystallveksten starter fra atomskala.

De minste mulige flekkene

Faktisk har forskere lenge kjent at den nåværende teorien ofte overvurderer hvor mye energi det tar å kaste ut kjerneprosessen, og ganske mye. De har kommet opp med mulige måter å forene teorien med virkeligheten, men frem til nå har disse ideene blitt testet bare i relativt stor skala, for eksempel med proteinmolekyler, snarere enn i atomskalaen hvor kjernen begynner.

For å se hvordan det fungerer i minste skala, vendte Melosh og hans team til diamondoids, de minste mulige bitene av diamant. De minste inneholder bare 10 karbonatomer. Disse flekkene er fokusert på et DOE-finansiert program på SLAC og Stanford hvor naturlig forekommende diamondoider er isolert fra petroleumsvæsker, sortert etter størrelse og form og studert. Nylige eksperimenter antyder at de kan brukes som lego-lignende blokker for å samle nanotråder eller "molekylære ambolter" for å utløse kjemiske reaksjoner blant annet.

Den siste eksperimentet ble ledet av Stanford postdoktorforsker Matthew Gebbie. Han er interessert i kjemi av grensesnitt - steder hvor en fase av materiell møter en annen, for eksempel grensen mellom luft og vann. Det viser seg at grensesnitt er utrolig viktig i voksende diamanter med en prosess som heter CVD, eller kjemisk dampavsetning, som er mye brukt til å lage syntetisk diamant for industri og smykker.

"Det jeg er spent på, er å forstå hvordan størrelse og form og molekylær struktur påvirker egenskapene til materialer som er viktige for nye teknologier, " sier Gebbie. "Det inkluderer nanoskala diamanter til bruk i sensorer og i kvantemåling. Vi må gjøre dem pålitelig og med konsekvent høy kvalitet."

Diamant eller blyant bly?

For å dyrke diamant i laboratoriet med CVD, blir små biter av knust diamant sådd på en overflate og eksponert for et plasma - en sky av gass oppvarmet til så høye temperaturer at elektroner blir fjernet fra atomene deres. Plasmaet inneholder hydrogen og karbon, de to elementene som trengs for å danne en diamant.

Dette plasmaet kan enten oppløse frøene eller få dem til å vokse, sier Gebbie, og konkurransen mellom de to bestemmer om større krystaller dannes. Siden det er mange måter å pakke karbonatomer inn i et fast stoff, må alt gjøres under de rette forholdene; ellers kan du ende opp med grafitt, kjent som blyantledning, i stedet for tennene du var ute etter.

Diamondoid frø gir forskere et mye finere nivå av kontroll over denne prosessen. Selv om de er for små til å se direkte, selv med de kraftigste mikroskoper, kan de nøyaktig sorteres i henhold til antall karbonatomer de inneholder og deretter kjemisk festet til overflaten av en silisiumskive slik at de er festet på plass mens å bli utsatt for plasma. Krystallene som vokser rundt frøene blir til slutt store nok til å telle under et mikroskop, og det er det forskerne gjorde.

Det magiske nummeret er 26

Selv om diamondoids hadde blitt brukt til å frøve veksten av diamanter før, var disse de første forsøkene for å teste effekten av å bruke frø av forskjellige størrelser. Laget oppdaget at krystallveksten virkelig tok av med frø som inneholder minst 26 karbonatomer.

Enda viktigere, sier Gebbie, at de var i stand til å måle energibarrieren direkte som diamantoidpartikler må overvinne for å vokse til krystaller.

"Det var antatt at denne barrieren må være som et gigantisk fjell som karbonatomer ikke burde krysse - og faktisk i flere tiår har det vært et åpent spørsmål om hvorfor vi selv kunne lage diamanter i utgangspunktet, " han sier. "Det vi fant var mer som en mild ås."

Gebbie legger til, "Dette er virkelig grunnleggende forskning, men på slutten av dagen er det vi er veldig begeistret for og kjører for, en forutsigbar og pålitelig måte å lage diamant nanomaterialer. Nå som vi har utviklet den underliggende vitenskapelige kunnskapen som trengs for å gjøre det, vil vi være på utkikk etter måter å sette disse diamond nanomaterialene til praktisk bruk. "

menu
menu