Triuškinamo 60 000 atmosferų slėgio ir 1600°C temperatūros nebereikia. Sugalvojo, kaip užauginti deimantus

Kiečiausią medžiagą, deimantus galima pagaminti lengviau. Tyrėjai praneša apie naują sintetinių deimantų auginimo būdą, kai nenaudojamas triuškinamas slėgis. Nors tokiu būdu gaunami ne didesni, nei 100 nanometrų skersmens kristalai – maždaug tipiško viruso dydžio – tyrėjai mano, kad gali pavykti gauti didesnius kristalus ir ilgas deimanto juostas, kurios labai vertinamos elektronikoje ir optikoje.

„Ši technika yra gan įdomi,“ sako Johnas Ciraldo, kuris specializuojasi deimantų auginime WD Advanced Materials. „Jeigu jie galėtų sukurti didesnius atskirus kristalus, tai būtų fantastika,“ pažymi Stephenas Goodnickas, elektros inžinierius iš Arizonos valstijos universiteto, kurio specializacija yra elektroninių prietaisų kūrimas ant deimanto juostų.

Deimantas yra grynos anglies forma, kai anglies atomai glaudžiai susijungia tarpusavyje piramidine tvarka. Iš čia ekstremalus kietumas ir atsparumas spinduliavimui, bei gebėjimas neprilygstamai gerai perduoti šilumą ir elektrą. Deimantai naudojami kvantiniuose kompiuteriuose ir magnetiniuose jutikliuose, didelės galios elektros prietaisuose, radiacijos detektoriuose ir lazeriuose.

Gamtiniai deimantai formuojasi Žemės mantijoje, šimtų kilometrų gylyje, didžiuliame slėgyje ir karštyje. Tokiomis sąlygomis sintetinius deimantus inžinieriai išmoko jau seniai. Dabar anglies molekulės spaudžiamos beveik 60 000 atmosferų slėgyje iki 1600°C temperatūroje, naudojant brangią įrangą.

Prieš kelis metus fizikochemikas iš Pietų Korėjos Bazinių mokslų instituto, Rodney'is Ruoffas, pradėjo pastebėti užuominas, kad tokios ekstremaliios sąlygos gali būti nebūtinos. Pavyzdžiui, 2017 metais tyrėjai iš Japonijos pranešė, kad skystą galį paveikus metano dujomis, metano anglies atomai ištirpo išlydytame metale ir susijungė į lakštinės anglies izomerinės atmainos, grafeno, sluoksnius. „Pamanėme, kad tinkamomis sąlygomis galėtų susiformuoti ir deimantai,“ sako Ruoffas. „Tad, nutarėme pabandyti.“

Iš pradžių jis su kolegomis ant silicio plokštelių išdėliotas deimantų dulkeles užliedavo išlydytu galiu ir kitais skystais metalais, tuomet šį mišinį paveikdavo metanu ar kitomis anglies turinčiomis dujomis. Jie tikėjosi, kad anglis iš dujų difunduos į galį ir susijungs su deimanto užuomazgomis, suformuodama didesnius kristalus, pasakoja jis. Iš pradžių silicio plokštelės, padengtos storu silicio dioksido sluoksniu, atrodė neleido augti deimantams. Bet vieno eksperimento metu skystas galis prasiliejo per plokštelės kraštą, ištirpindamas šiek tiek nepridengto gryno silicio. Apžiūrinėdami sukietėjusį metalą, jie aptiko smulkučių deimantų kristalų rinkinį.

Kaip praneša Ruoff’s komanda Nature, tyrėjai patobulino receptą, naudodami mažą indelį, kuriame buvo skysto galio, geležies, nikelio ir silicio mišinys, įkaitintas iki 1025°C bei veikiamas metano ir vandenilio dujomis. Pridėti kristalų užuomazgų ar slėgti nereikėjo. Metaluose anglingos dujos ištirpo, ir silicis kažkaip padėjo anglies atomams sukibti į deimanto piramidinę struktūrą. „Jei šiek tiek silicio nepridedama, deimantų gauti nepavyksta,“ sako Ruoffas.

Didžiausias šios technikos plėtros klausimas – kiek iš jos galima išspausti. Ruoffo komanda jau panaudojo ją, gamindama deimanto plėveles iš tūkstančių glaudžiai supakuotų deimantų kristalų. Ciraldo pabrėžia, kad tokią plėvelę žemame slėgyje galima pagaminti ir dabar, naudojant išvystytą cheminės garų depozicijos techniką, bet jai reikia brangesnės puslaidininkių gamybos įrangos. Be to, kristalų gausa gali pabloginti iš tokių plėvelių pagamintos elektronikos veikimą. Ruoffas tikis, kad galiausia pavyks šia technologija gaminti plonas juosteles, sudarytas iš vieno gryno deimanto sluoksnio.

Ruofasf prognozuoja, kad dabar daug daugiau laboratorijų pradės eksperimentuoti su naujuoju lengvo deimantų kepimo receptu. „Daugybė laboratorijų visame pasaulyje ketina imtis kepimo,“ sako jis.

Robert F. Service

doi: 10.1126/science.z82pnrp