(Phys.org) —Bilder tagna av forskare från Rice University visar att vissa diamanter inte är för evigt. Risforskarna bakom en ny studie som förklarar skapandet av nanodiamanter i behandlat kol visar också att vissa mikroskopiska diamanter bara varar sekunder innan de försvinner tillbaka till mindre strukturerade kolformer under påverkan av en elektronstråle.

Forskningen av Rice -kemisten Ed Billups och hans kollegor förekommer i American Chemical Society's Journal of Physical Chemistry Letters .

Billups och Yanqiu Sun, en tidigare postdoktor i sitt laboratorium, bevittnade den intressanta effekten medan han arbetade med sätt att kemiskt minska kol från antracitkol och göra det lösligt. Först märkte de att nanodiamanter bildades mitt i det amorfa, väteinfunderade lager av grafit.

Det hände, de upptäckte, när de tog närbilder av kolet med ett elektronmikroskop, som avfyrar en elektronstråle vid intressepunkten. Oväntat, energitillförseln stelnade kluster av hydrerade kolatomer, varav några antog den nanodiamonds gitterliknande struktur.

"Strålen är mycket kraftfull, "Billups sa." Att slå bort väteatomer från något tar enormt mycket energi. "

Även utan den typ av tryck som krävs för att göra makroskaliga diamanter, energin slog loss väteatomer för att leda till en kedjereaktion mellan lager av grafit i kolet som resulterade i diamanter mellan 2 och 10 nanometer breda.

Men den mest "nano" av nanodiamanterna sågs att blekna under elektronstrålens kraft i en serie bilder tagna över 30 sekunder.

"De små diamanterna är inte stabila och de återgår till utgångsmaterialet, antraciten, "Sa Billups.

Billups vände sig till Rice -teoretiska fysikern Boris Yakobson och hans kollegor vid Technological Institute for Superhard and Novel Carbon Materials i Moskva för att förklara vad kemisterna såg. Yakobson, Pavel Sorokin och Alexander Kvashnin hade redan kommit med ett diagram - kallat ett fasdiagram - som visade hur tunna diamantfilmer kan göras utan massivt tryck.

De använde liknande beräkningar för att visa hur nanodiamanter kan bildas i behandlat antracit och subbituminöst kol. I detta fall, elektronmikroskopets stråle slår väteatomer loss från kolskikt. Därefter kompenserar de dinglande bindningarna genom att ansluta till ett intilliggande kolskikt, som uppmanas att ansluta till nästa lager. Reaktionen zipper atomerna till en matris som är karakteristisk för diamant tills trycket tvingar processen att stanna.

Naturlig, makroskaliga diamanter kräver extrema tryck och temperaturer för att bildas, men fasdiagrammet bör omprövas för nanodiamanter, sa forskarna.

"Det finns ett fönster med stabilitet för diamanter inom intervallet 19-52 ångström (tiondelar av en nanometer), utöver vilken grafit är mer stabil, "Sa Billups. Stabila nanodiamanter upp till 20 nanometer stora kan bildas i hydrerad antracit, de hittade, även om de minsta nanodiamanterna var instabila under fortsatt elektronstråle-strålning.

Billups noterade efterföljande elektronstrålexperiment med orörd antracit bildade inga diamanter, medan tester med mindre robusta infusioner av väte ledde till regioner med "lökliknande utkant" av grafitkol, men inga helt formade diamanter. Båda experimenten gav stöd för behovet av tillräckligt väte för att bilda nanodiamanter.

Kvashnin är en tidigare gäststudent på Rice och en doktorand vid Moskva institutet för fysik och teknik (MIPT). Sorokin har utnämningar vid MIPT och National University of Science and Technology, Moskva. Yakobson är Rices Karl F. Hasselmann professor i maskinteknik och materialvetenskap, en professor i kemi och medlem av Richard E. Smalley Institute for Nanoscale Science and Technology. Billups är professor i kemi vid Rice.