Природным алмазам требуются миллиарды лет, чтобы сформироваться в условиях экстремального давления и температуры глубоко под землей. Синтетические формы можно производить гораздо быстрее, но они, как правило, все равно требуют интенсивного сжатия в течение нескольких недель. Исследование опубликовано в журнале Nature.
Новый метод, основанный на смеси жидких металлов, позволяет извлечь искусственный алмаз за считанные минуты без необходимости гигантского сжатия.
Хотя по-прежнему требовались высокие температуры, в районе 1025°C, непрерывная алмазная пленка образовалась за 150 минут и при давлении 1 атм (или стандартной атмосферной единице). Это эквивалент давления, которое мы ощущаем на уровне моря, и в десятки тысяч раз меньше, чем обычно необходимое давление.
Команда, стоящая за инновационным подходом, возглавляемая исследователями из Института фундаментальных наук Южной Кореи, уверена, что этот процесс можно масштабировать, чтобы существенно изменить производство синтетических алмазов.
Растворение углерода в жидком металле для производства алмазов не является чем-то совершенно новым. Например, компания General Electric полвека назад разработала процесс с использованием расплавленного сульфида железа.
Но эти процессы по-прежнему требовали давления в 5–6 гигапаскалей и алмазного «семени», за которое мог бы удержаться углерод.
«Мы открыли метод выращивания алмазов при давлении в 1 атм и при умеренной температуре с использованием жидкометаллического сплава», — пишут исследователи в своей опубликованной статье.
Снижение давления было достигнуто с помощью тщательно смешанной смеси жидких металлов: галлия, железа, никеля и кремния. Внутри графитового корпуса была построена изготовленная на заказ вакуумная система, позволяющая очень быстро нагревать, а затем охлаждать металл, подвергаясь воздействию смеси метана и водорода.
Эти условия заставляют атомы углерода из метана распространяться в расплавленный металл, действуя как зародыши для алмазов. Всего через 15 минут небольшие фрагменты кристаллов алмаза вышли из жидкого металла прямо под поверхностью, а в течение двух с половиной часов воздействия образовалась сплошная алмазная пленка.
Хотя концентрация углерода, образующего кристаллы, снизилась на глубине всего лишь нескольких сотен нанометров, исследователи ожидают, что процесс можно улучшить с помощью нескольких изменений.
«Мы предполагаем, что простые модификации могут позволить выращивать алмаз на очень большой площади, используя большую поверхность или интерфейс, настраивая нагревательные элементы для достижения гораздо большей потенциальной области роста и распределяя углерод в области роста алмаза некоторыми новыми способами», — пишут исследователи.
Эти модификации потребуют времени, и исследования этого процесса все еще находятся на самых ранних стадиях, но авторы нового исследования считают, что у него большой потенциал – и что можно использовать другие жидкие металлы, чтобы получить аналогичный или даже лучший результат.
Процесс, который в настоящее время используется для создания большинства синтетических алмазов – используемых для широкого спектра промышленных процессов, электроники и даже квантовых компьютеров – занимает несколько дней и требует гораздо большего давления. Если эта новая технология реализует свой потенциал, изготовление бриллиантов станет намного быстрее и проще.
«Общий подход с использованием жидких металлов может ускорить и ускорить рост алмазов на различных поверхностях и, возможно, облегчить рост алмаза на небольших алмазных затравочных частицах», — пишут исследователи.
