Yu Lin visar modeller av diamantoider med en, två och tre burar, som kan förvandlas till det invecklade, rent kolgitter av diamant – ses i de större, blå modell till höger – när den utsätts för extrem värme och tryck. Kredit:Andrew Brodhead
Det låter som alkemi:ta en klump vitt damm, klämma in den i en tryckkammare med diamanter, sedan spränga den med en laser. Öppna kammaren och hitta en ny mikroskopisk fläck av ren diamant inuti.
En ny studie från Stanford University och SLAC National Accelerator Laboratory avslöjar hur, med noggrann inställning av värme och tryck, det receptet kan producera diamanter från en typ av väte- och kolmolekyler som finns i råolja och naturgas.
"Det som är spännande med detta papper är att det visar ett sätt att lura termodynamiken i vad som vanligtvis krävs för diamantbildning, " sa Stanford geolog Rodney Ewing, en medförfattare på tidningen, publicerad 21 februari i tidskriften Vetenskapens framsteg .
Forskare har syntetiserat diamanter från andra material i mer än 60 år, men omvandlingen kräver vanligtvis orimliga mängder energi, tid eller tillsats av en katalysator - ofta en metall - som tenderar att försämra kvaliteten på slutprodukten. "Vi ville bara se ett rent system, där ett enda ämne förvandlas till ren diamant - utan en katalysator, " sa studiens huvudförfattare, Sulgiye Park, en postdoktor vid Stanford's School of Earth, Energi- och miljövetenskaper (Stanford Earth).
Att förstå mekanismerna för denna transformation kommer att vara viktigt för applikationer bortom smycken. Diamantens fysiska egenskaper - extrem hårdhet, optisk transparens, kemisk stabilitet, hög värmeledningsförmåga - gör det till ett värdefullt material för medicin, industri, kvantberäkningsteknik och biologisk avkänning.
"Om du kan göra även små mängder av denna rena diamant, sedan kan du dopa det på kontrollerade sätt för specifika applikationer, " sa studie seniorförfattare Yu Lin, en stabsforskare vid Stanford Institute for Materials and Energy Sciences (SIMES) vid SLAC National Accelerator Laboratory.
Ett naturligt recept
Naturliga diamanter kristalliserar från kol hundratals miles under jordens yta, där temperaturen når tusentals grader Fahrenheit. De flesta naturliga diamanter som grävts fram hittills raket uppåt i vulkanutbrott för miljoner år sedan, bär forntida mineraler från jordens djupa inre med sig.
Som ett resultat, diamanter kan ge insikt i de förhållanden och material som finns i planetens inre. "Diamanter är kärl för att ta tillbaka prover från de djupaste delarna av jorden, " sa Stanford mineralfysiker Wendy Mao, som leder labbet där Park utförde de flesta av studiens experiment.
Efter att ha klämt ihop diamantformade prover och sprängt dem med laser, forskarna använde en andra, kallare laserstråle för att hjälpa till att karakterisera den resulterande diamanten. Kredit:Andrew Brodhead
För att syntetisera diamanter, forskargruppen började med tre typer av pulver raffinerade från tankfartyg fulla med petroleum. "Det är en liten mängd, " sa Mao. "Vi använder en nål för att plocka upp lite för att få det under ett mikroskop för våra experiment."
Vid ett ögonkast, det luktfria, lite klibbiga pulver liknar stensalt. Men ett tränat öga som tittar genom ett kraftfullt mikroskop kan urskilja atomer arrangerade i samma rumsliga mönster som atomerna som utgör diamantkristall. Det är som om diamantens invecklade galler hade kapats upp i mindre enheter bestående av en, två eller tre burar.
Till skillnad från diamant, som är rent kol, pulvren – kända som diamantoider – innehåller också väte. "Börja med dessa byggstenar, "Mao sa, "du kan göra diamant snabbare och enklare, och du kan också lära dig om processen på ett mer komplett, genomtänkt sätt än om du bara härmar det höga trycket och den höga temperaturen som finns i den del av jorden där diamant bildas naturligt."
Diamantoider under tryck
Forskarna laddade diamantformade prover i en tryckkammare av plommonstorlek som kallas en diamantstädcell, som pressar pulvret mellan två polerade diamanter. Med bara en enkel handvridning av en skruv, enheten kan skapa den typ av tryck du kan hitta i jordens mitt.
Nästa, de värmde proverna med en laser, undersökte resultaten med ett antal tester, och körde datormodeller för att förklara hur förvandlingen hade utvecklats. "En grundläggande fråga vi försökte svara på är om strukturen eller antalet burar påverkar hur diamantoider omvandlas till diamant, " sa Lin. De fann att den treburiga diamantformen, kallas triamantan, kan omorganisera sig själv till diamant med förvånansvärt lite energi.
Vid 900 Kelvin - vilket är ungefär 1160 grader Fahrenheit, eller temperaturen på glödhet lava – och 20 gigapascal, ett tryck som är hundratusentals gånger högre än jordens atmosfär, triamantans kolatomer snäpper in i linje och dess väte sprids eller faller bort.
Förvandlingen utspelar sig på de smalaste bråkdelen av en sekund. Det är också direkt:atomerna passerar inte genom någon annan form av kol, som grafit, på väg att göra diamant.
Den lilla provstorleken inuti en diamantstädcell gör detta tillvägagångssätt opraktiskt för att syntetisera mycket mer än de diamantfläckar som Stanford-teamet producerade i labbet, sa Mao. "Men nu vet vi lite mer om nycklarna till att göra rena diamanter."
