Pirma, mokslininkai tiksliai išmatuoja, kaip sintetiniai deimantai auga

Environmental Disaster: Natural Disasters That Affect Ecosystems (Birželis 2019).

Anonim

Natūralus deimantas suklijuotas didžiuliu slėgiu ir temperatūra giliai po žeme. Bet sintetinį deimantą galima auginti nucleation, kur mažesni bitai deimantų "sėklos" didesnių deimantų kristalų augimą. Tas pats pasitaiko ir debesyse, kur dalelės sėlina ledo kristalų augimą, kuris tada ištirpsta į lietaus nuosėdas.

Mokslininkai pirmą kartą stebėjo, kaip deimantai auga iš sėklų atomo lygiu, ir atrado, kiek sėklos turi būti, kad spardyti kristalų auginimo procesą į pernelyg didelę pavarą.

Rezultatai, paskelbti šią savaitę Nacionalinės mokslų akademijos leidimuose, parodė, kad branduoliavimas vyksta ne tik deimantuose, bet ir atmosferoje, silicio kristaluose, naudojamuose kompiuterių lustuose ir netgi baltymuose, kurie sujungti į neurologines ligas.

"Branduolių augimas yra pagrindinis medžiagų mokslų principas, ir yra teorija ir formulė, apibūdinanti, kaip tai vyksta kiekviename vadovėlyje", - sako mokslininkas Nicholas Melošas, Stanfordo universiteto profesorius ir Energetikos SLAC National Accelerator Laboratory departamentas, kuris vadovavo tyrimams. "Tai, kaip mes aprašome, vyksta iš vienos medžiagos stadijos į kitą, pavyzdžiui, iš skysto vandens į ledą".

Tačiau įdomu, sako jis: "nepaisant to, kad plačiai paplitęs šio proceso naudojimas visur, jo teorija niekada nebuvo bandoma eksperimentuoti, nes stebėti, kaip kristalų augimas prasideda nuo atominių sėklų, yra labai sunku."

Mažiausi galimi trapai

Iš tiesų mokslininkai jau seniai žinojo, kad dabartinė teorija dažnai pervertina kiek energijos, reikalingos branduolio procesui pradėti, ir gana šiek tiek. Jie sugalvojo galimus būdus suderinti teoriją su realybe, tačiau iki šiol šios idėjos buvo išbandytos tik gana didelio masto, pavyzdžiui, baltymų molekulių, o ne atominių, kur prasideda branduolys.

Norėdami pamatyti, kaip jis veikia mažiausiu mastu, Melošas ir jo komanda kreipėsi į diamondoids, mažiausius įmanomus bitų deimantus. Mažiausiose yra tik 10 anglies atomų. Šios dėmės yra "DOE" finansuojamos programos "SLAC" ir "Stanfordo" akcentai, kur natūraliai atsirandantys diamidoidai yra izoliuoti nuo naftos skysčių, pagal dydį ir formą, ištirti. Naujausi eksperimentai rodo, kad jie, be kitų dalykų, gali būti naudojami kaip "Lego" tipo blokai, skirti surinkti nanoviras arba "molekulines anviles", leidžiantys sukelti chemines reakcijas.

Paskutinį bandymų etapą vadovavo Stanfordo mokslų daktaras Matthew Gebbie. Jis susidomėjęs sąsajų chemija - vietomis, kuriose vienas medžiagos etapas susiduria su kita, pvz., Riba tarp oro ir vandens. Pasirodo, sąsajos yra nepaprastai svarbios auginant deimantus, kurių procesas vadinamas CVD, arba cheminis garų nusodinimas, kuris plačiai naudojamas sintetinio deimanto gamybai pramonei ir juvelyriniams dirbiniams.

"Aš esu malonu suvokti, kaip dydis, forma ir molekulinė struktūra daro įtaką naujų medžiagų, kurios yra svarbios kuriant naujas technologijas, savybėms", - sako Gebbie. "Tai apima ir nanometrinius deimantus, naudojamus jutikliuose ir kvantinio skaičiavimo sistemose. Turime juos patikimai ir nuolat kokybiškai".

Deimantinis ar pieštukinis švinas?

Norėdami auginti deimantą laboratorijoje su CVD, smulkūs smulkinto deimanto gabaliukai sėjami ant paviršiaus ir veikiami plazmoje - dujų debesyje, pašildytu iki tokios aukštos temperatūros, kad elektronai yra atskirti nuo jų atomų. Plazmoje yra vandenilio ir anglies, du elementai, reikalingi deimantų formavimui.

Ši plazma gali arba ištirpinti sėklą, tiek padidinti augimą, sako Gebbie, o konkurencija tarp dviejų lemia didesnius kristalus. Kadangi anglies atomų pakavimas į kietą gali būti daug būdų, viskas turi būti padaryta tik tinkamomis sąlygomis; kitaip jūs galite susidurti su grafitu, dažnai vadinamu pieštuku, o ne nuo stipraus dalyko, kurį buvote gavę.

Diamondoid sėklos suteikia mokslininkams daug smulkesnę šio proceso kontrolę. Nors jie yra per maži, kad pamatytumėte tiesiai, net ir naudojant galingiausius mikroskopus, jie gali būti tiksliai išrūšiuoti priklausomai nuo jų turimų anglies atomų skaičiaus ir chemiškai prijungti prie silicio plokštelės paviršiaus, kad jie būtų pritvirtinti vietoje, o esant plazmui. Galų gale kristalai, kurie auga aplink sėklų, gana dideli, kad būtų galima suskaičiuoti mikroskopu, ir tai buvo tai, ką padarė mokslininkai.

Magiškas skaičius yra 26

Nors diamidoidai anksčiau buvo naudojami deimantų augimui sėti, tai buvo pirmieji bandymai, siekiant išbandyti įvairių dydžių sėklų naudojimo poveikį. Komanda atrado, kad kristalų augimas tikrai atsikratė sėklomis, kuriose yra bent 26 anglies atomų.

Dar svarbiau, sako Gebbie, jie galėjo tiesiogiai išmatuoti energijos barjerą, kurį reikia išveikti diamondoido dalelėms, kad augtų į kristalus.

"Manoma, kad ši kliūtis turi būti kaip gigantiškas kalnas, kad anglies atomai neturėtų kisti - o iš tiesų dešimtmečiais buvo atviras klausimas, kodėl mes galime netgi išmesti deimantus", - sakė jis. sako "Ką mes radome, atrodė kaip lengvas kalnas".

Gebbie priduria: "Tai tikrai fundamentiniai moksliniai tyrimai, tačiau dienos pabaigoje tai, ko mes tikrai džiaugiamės, ir vairavimo galimybė yra nuspėjamas ir patikimas būdas pagaminti deimantų nanomedžiagas. Dabar, kai mes sukūrėme pagrindines mokslines žinias, kurių reikia kad tai atliksime, mes ieškosime būdų, kaip šias deimantų nanomedžiagas naudoti praktiškai. "

menu
menu