Природні алмази формуються мільярди років в умовах екстремальних тисків і температур глибоко під землею. Синтетичні форми можна отримати набагато швидше, але вони, як правило, все ще потребують інтенсивного роздавлювання протягом декількох тижнів.
Новий метод, заснований на суміші рідких металів, дозволяє отримати штучний алмаз за лічені хвилини, без необхідності гігантського пресування.
Хоча високі температури все ще були потрібні, в районі 1025°C або 1877°F, суцільна алмазна плівка утворилася за 150 хвилин і при тиску в 1 атм (або стандартна одиниця виміру атмосфери). Це еквівалент тиску, який ми відчуваємо на рівні моря, і в десятки тисяч разів менше, ніж тиск, який зазвичай необхідний.
Команда розробників інноваційного підходу на чолі з дослідниками з Інституту фундаментальних наук у Південній Кореї впевнена, що цей процес можна масштабувати, щоб суттєво змінити виробництво синтетичних алмазів.
Скануюча електронна мікрофотографія алмазної плівки, вирощеної в рідкому металі. (Гонг та ін., Nature, 2024)
Розчинення вуглецю в рідкому металі для виготовлення алмазу не є чимось новим. Наприклад, компанія General Electric розробила цей процес півстоліття тому, використовуючи розплавлений сульфід заліза.
Але ці процеси все ще вимагали тиску в 5-6 гігапаскалів і алмазного “насіння”, за яке міг би зчепитися вуглець.
“Ми відкрили метод вирощування алмазів при тиску в 1 атм і помірній температурі за допомогою рідкого металевого сплаву”, – пишуть дослідники в своїй опублікованій статті.
Зниження тиску було досягнуто за допомогою ретельно змішаної суміші рідких металів: галію, заліза, нікелю та кремнію. Спеціальна вакуумна система була побудована всередині графітової оболонки для дуже швидкого нагрівання, а потім охолодження металу під впливом комбінації метану і водню.
За таких умов атоми вуглецю з метану поширюються в розплавленому металі, діючи як насіння для алмазів. Вже через 15 хвилин невеликі фрагменти алмазних кристалів видавлювалися з рідкого металу просто під поверхнею, а через дві з половиною години впливу утворилася суцільна алмазна плівка.
Хоча концентрація вуглецю, що утворює кристали, зменшилася на глибині лише кількох сотень нанометрів, дослідники очікують, що процес можна вдосконалити, внісши деякі корективи.
“Ми припускаємо, що прості модифікації можуть дозволити вирощувати алмаз на дуже великій площі, використовуючи більшу поверхню або інтерфейс, конфігуруючи нагрівальні елементи для досягнення набагато більшої потенційної області росту і розподіляючи вуглець в області росту алмазу деякими новими способами”, – пишуть дослідники.
Ці модифікації потребують часу, і дослідження цього процесу все ще перебувають на дуже ранніх стадіях, але автори нового дослідження вважають, що він має великий потенціал – і що інші рідкі метали можуть бути використані для отримання подібних або навіть кращих результатів.
Процес, який зараз використовується для створення більшості синтетичних алмазів, що застосовуються в різноманітних промислових процесах, електроніці і навіть квантових комп’ютерах, займає кілька днів і потребує набагато більшого тиску. Якщо ця нова технологія реалізує свій потенціал, створення алмазів стане набагато швидшим і простішим.
“Загальний підхід використання рідких металів може прискорити і просунути ріст алмазів на різних поверхнях, і, можливо, полегшити ріст алмазів на маленьких алмазних (насіннєвих) частинках”, – пишуть дослідники.
