Naturlig diamant smides av enorma tryck och temperaturer djupt under jorden. Men syntetisk diamant kan odlas genom kärnbildning, där små bitar av diamant "frö" tillväxten av större diamantkristaller. Samma sak händer i moln, där partiklar sätter tillväxt av iskristaller som sedan smälter till regndroppar.

Forskare har nu för första gången observerat hur diamanter växer från frö på atomnivå, och upptäckte hur stora fröna måste vara för att få kristallväxtprocessen att bli överdriven.

Resultaten, publicerad denna vecka i Förfaranden från National Academy of Sciences , belysa hur kärnbildningen fortskrider inte bara i diamanter, men i atmosfären, i kiselkristaller som används för datorchips och till och med i proteiner som klumpar ihop sig vid neurologiska sjukdomar.

"Kärntillväxt är en grundläggande princip för materialvetenskap, och det finns en teori och en formel som beskriver hur detta händer i varje lärobok, "säger Nicholas Melosh, en professor vid Stanford University och Institutionen för energis SLAC National Accelerator Laboratory som ledde forskningen. "Det är hur vi beskriver att gå från en materiell fas till en annan, till exempel från flytande vatten till is. "

Men intressant, han säger, "trots den utbredda användningen av denna process överallt, teorin bakom den hade aldrig testats experimentellt, eftersom det är extremt svårt att observera hur kristalltillväxt börjar från atomfrågor. "

De minsta möjliga fläckarna

Faktiskt, forskare har länge vetat att den nuvarande teorin ofta överskattar hur mycket energi det tar att starta kärnbildningsprocessen, och ganska mycket. De har kommit på möjliga sätt att förena teorin med verkligheten, men fram till nu har dessa idéer bara testats i relativt stor skala, till exempel med proteinmolekyler, snarare än i atomskala där kärnbildning börjar.

För att se hur det fungerar i minsta skala, Melosh och hans team vände sig till diamondoids, de minsta möjliga diamantbitarna. De minsta innehåller bara 10 kolatomer. Dessa fläckar är i fokus för ett DOE-finansierat program vid SLAC och Stanford där naturligt förekommande diamantoider isoleras från petroleumvätskor, sorterade efter storlek och form och studerade. Nyligen genomförda experiment tyder på att de kan användas som Lego-liknande block för montering av nanotrådar eller "molekylära städ" för att utlösa kemiska reaktioner, bland annat.

Den senaste experimentrundan leddes av Stanford postdoktoral forskare Matthew Gebbie. Han är intresserad av gränssnittets kemi - platser där en materiefas möter en annan, till exempel gränsen mellan luft och vatten. Det visar sig att gränssnitt är otroligt viktiga vid odling av diamanter med en process som kallas CVD, eller kemisk ångavsättning, som ofta används för att göra syntetisk diamant för industri och smycken.

"Det jag är upphetsad över är att förstå hur storlek och form och molekylstruktur påverkar egenskaperna hos material som är viktiga för ny teknik, "Säger Gebbie." Detta inkluderar nanoskala diamanter för användning i sensorer och kvantberäkning. Vi måste göra dem pålitligt och med genomgående hög kvalitet. "

Diamant eller blyertspenna?

Att odla diamant i labbet med CVD, små bitar av krossad diamant sås ut på en yta och utsätts för en plasma - ett gasmoln som värms upp till så höga temperaturer att elektroner avlägsnas från deras atomer. Plasman innehåller väte och kol, de två elementen som behövs för att bilda en diamant.

Denna plasma kan antingen lösa upp fröna eller få dem att växa, Gebbie säger, och konkurrensen mellan de två avgör om större kristaller bildas. Eftersom det finns många sätt att packa kolatomer i ett fast ämne, allt måste göras under de rätta förutsättningarna; annars kan du sluta med grafit, allmänt känd som blyertspenna, istället för de gnistrande saker du var ute efter.

Diamondoidfrön ger forskare en mycket finare kontroll över denna process. Även om de är för små för att se direkt, även med de mest kraftfulla mikroskop, de kan sorteras exakt efter antalet kolatomer de innehåller och sedan fästas kemiskt på ytan av en kiselskiva så att de fästs på plats medan de utsätts för plasma. Kristallerna som växer runt fröna blir så småningom stora nog att räkna under ett mikroskop, och det är vad forskarna gjorde.

Det magiska numret är 26

Även om diamondoids hade använts för att fröa tillväxten av diamanter tidigare, dessa var de första experimenten för att testa effekterna av att använda frön av olika storlekar. Teamet upptäckte att kristalltillväxten verkligen tog fart med frön som innehåller minst 26 kolatomer.

Ännu viktigare, Gebbie säger, de kunde direkt mäta energibarriären som diamantformade partiklar måste övervinna för att växa till kristaller.

"Man trodde att denna barriär måste vara som ett gigantiskt berg som kolatomerna inte borde kunna passera - och, faktiskt, i decennier har det varit en öppen fråga om varför vi till och med kunde göra diamanter i första hand, "säger han." Det vi hittade var mer som en mild kulle. "

Gebbie tillägger, "Detta är verkligen grundläggande forskning, men i slutet av dagen, det vi verkligen är glada över och kör efter är ett förutsägbart och pålitligt sätt att göra diamantnanomaterial. Nu när vi har utvecklat den underliggande vetenskapliga kunskap som behövs för att göra det, Vi kommer att leta efter sätt att använda dessa diamantnanomaterial praktiskt. "