Rado optimalų mišinį deimantų augimui katalizuoti. Išaugino deimantą vos per 15 minučių

Natūralūs deimantai susidaro Žemės mantijoje – išsilydžiusioje zonoje, esančioje šimtus kilometrų po planetos paviršiumi. Procesas vyksta esant milžiniškam kelių gigapaskalių slėgiui ir temperatūrai, viršijančiai 1500 laipsnių pagal Celsijų.

Panašiomis sąlygomis šiuo metu sintetinama 99 proc. visų dirbtinai sukurtų deimantų. Šiame metode, vadinamame aukšto slėgio ir aukštos temperatūros (HPHT) auginimu, naudojamos šios ekstremalios sąlygos – ir skystuose metaluose (pavyzdžiui, geležyje) ištirpinta anglis aplink mažą „sėklą“ (arba pradinį deimantą) virsta deimantu.

Tačiau aukštą slėgį ir temperatūrą sunku sukurti ir išlaikyti. Be to, deimantų dydžiui įtakos turi ir sudedamosios dalys: didžiausi deimantai yra apie kubinio centimetro dydžio, t. y. maždaug tokio pat dydžio kaip mėlynė. Be to, HPHT užtrunka gana ilgai – savaitę ar dvi – kol išgaunami net tokie maži brangakmeniai. Kitas metodas, vadinamas cheminiu išgavimu iš garų, pašalina kai kuriuos HPHT reikalavimus, pavyzdžiui, aukštą slėgį. Tačiau kiti – pavyzdžiui, „sėklų“ poreikis – išlieka.

O naujasis metodas pašalina kai kuriuos abiejų sintezės procesų trūkumus. Komanda, vadovaujama fizikinės chemijos specialisto iš Fundamentaliųjų mokslų instituto Pietų Korėjoje Rodney Ruoffo, balandžio 24 d. paskelbė savo išvadas žurnale „Nature“.

Deimantų tiglis

Naujasis metodas buvo ilgai kuriamas.

„Daugiau nei dešimtmetį galvojau apie naujus deimantų auginimo būdus – nes maniau, kad tai būtų įmanoma pasiekti netikėtais (pagal įprastą mąstymą) būdais“, – teigia R. Ruoffas.

Pirmiausia mokslininkai grafito tiglyje elektra įkaitino galį su trupučiu silicio. Galis gali atrodyti kaip ezoterinis elementas, tačiau jis buvo pasirinktas todėl, kad ankstesnis nesusijęs tyrimas parodė, jog jis gali katalizuoti grafeno susidarymą iš metano. Grafenas, kaip ir deimantas, yra gryna anglis – tačiau jo atomai yra viename sluoksnyje, o ne tetraedrinėje formoje, kaip brangakmenyje.

Tyrėjai tiglį patalpino namuose įrengtoje kameroje, kurioje palaikomas jūros lygio atmosferos slėgis ir pro kurią galima leisti įkaitintas, daug anglies turinčias metano dujas. Šią 9 litrų kamerą, kurią suprojektavo vienas iš tyrimo autorių Won Kyung Seongas, taip pat dirbantis Fundamentaliųjų mokslų institute, buvo galima paruošti eksperimentams vos per 15 minučių, todėl komanda galėjo greitai atlikti bandymus su skirtingos koncentracijos metalais ir dujomis.

Atlikdami tokius pakeitimus, mokslininkai nustatė, kad galio, nikelio ir geležies mišinys su trupučiu silicio yra optimalus deimantų augimui katalizuoti. Ir iš tiesų – naudodama šį mišinį, komanda jau po 15 minučių tiglio dugne gavo deimantus. Per dvi su puse valandos susiformavo didesnė deimantų plėvelė. Ir spektroskopinė analizė parodė, kad ši plėvelė buvo daugmaž gryna – tačiau joje buvo keletas silicio atomų.

Deimantų susidarymo mechanizmo smulkmenos vis dar labai miglotos, tačiau mokslininkai mano, kad dėl temperatūros kritimo anglis iš metano patenka į tiglio centrą, kur susilieja į deimantą. Be to, be silicio deimantai nesusidaro, todėl tyrėjai mano, kad jis gali būti „sėkla“, aplink kurią kristalizuojasi anglis.

Tačiau naujasis metodas susiduria su savais iššūkiais. Viena iš problemų yra ta, kad šiuo metodu išauginti deimantai yra maži: didžiausi jų yra šimtus tūkstančių kartų mažesni už išaugintus HPHT metodu – todėl jie yra per maži, kad galėtų būti naudojami kaip brangakmeniai.

Neaiškūs ir kiti galimi naujuoju metodu susintetintų deimantų panaudojimo būdai – pavyzdžiui, technologiškesnėse srityse, tokiose kaip poliravimas ir gręžimas. Tačiau R. Ruoffas teigia, kad dėl to, jog šis procesas susijęs su mažu slėgiu, deimantų sintezė gali būti gerokai intensyvesnė.

„Maždaug po metų ar dvejų pasaulis galės susidaryti aiškesnį vaizdą apie galimą komercinį poveikį“, – sako jis.

Parengta pagal „Live Science“.