ראשית, מדענים בוחנים במדויק כיצד יהלומים סינתטיים גדלים

ראיון בבית מלון בדנמרק (יוני 2019).

Anonim

יהלום טבעי מזויף על ידי לחצים עצומים וטמפרטורות עמוק מתחת לפני האדמה. אבל יהלום סינתטי ניתן לגדל על ידי נוקלאציה, שבו פיסות זעירות של "זרע" היהלום הצמיחה של גבישי יהלומים גדולים יותר. אותו דבר קורה בעננים, שבהם חלקיקים זרעו את צמיחתם של גבישי הקרח שנמסו לתוך טיפות הגשם.

מדענים צפו כעת בפעם הראשונה איך יהלומים צומחים מזרע ברמה אטומית, וגילו עד כמה גדול הזרעים צריכים להיות כדי לבעוט את תהליך הגבישה הגוברת לתוך overdrive.

התוצאות, שפורסמו השבוע ב"ההליכים של האקדמיה הלאומית למדעים ", שופכות אור על האופן שבו נוקליאציה מתמשכת לא רק ביהלומים, אלא באטמוספרה, בגבישי סיליקון המשמשים לצ'יפי מחשבים ואפילו בחלבונים המצטברים יחד במחלות נוירולוגיות.

"צמיחה נוקלאציה היא עקרון הליבה של מדע החומרים, ויש תיאוריה ונוסחה המתארת ​​איך זה קורה בכל ספר לימוד", אומר ניקולס מלוש, פרופסור באוניברסיטת סטנפורד ומחקר המעבדה הלאומית לאנרגיה מואצת ב- SLAC שהוביל את המחקר. "כך אנו מתארים את המעבר משלב חומרים אחד למשנהו, למשל ממים נוזליים לקרח".

אבל מעניין, הוא אומר, "למרות השימוש הנרחב בתהליך זה בכל מקום, התיאוריה שמאחורי זה מעולם לא נבדקה בצורה ניסויית, כי התבוננות כיצד הגדילה את צמיחת הגבישים מזרעים בקנה מידה אטומי היא קשה ביותר".

הנקודות הקטנות ביותר האפשריות

למעשה, מדענים יודעים כבר זמן רב כי התיאוריה הנוכחית לעתים קרובות overstimates כמה אנרגיה זה לוקח לבעוט את תהליך נוקלאציה, ועל ידי לא מעט. הם מצאו דרכים אפשריות ליישב את התיאוריה עם המציאות, אך עד כה נבדקו רעיונות אלה רק בקנה מידה גדול יחסית, למשל עם מולקולות חלבון, ולא בסולם האטומי שבו מתחילה נוקלאציה.

כדי לראות איך זה עובד בקנה מידה קטן ביותר, מלוש וצוותו פנו יהלומים, את חתיכות קטנות ביותר של יהלומים. הקטנים מכילים רק 10 אטומי פחמן. נקודות אלה הן מוקד של תוכנית במימון DOE ב SLAC ו סטנפורד שבו יהלומים באופן טבעי מבודדים מנוזלי נפט, מיון לפי גודל וצורה למד. ניסויים שנעשו לאחרונה מצביעים על כך שניתן להשתמש בהם כחוסמים דמויי לגו להרכבת ננו-ווארים או "סנונים מולקולאריים" להפעלת תגובות כימיות, בין היתר.

הסבב האחרון של הניסויים הובל על ידי חוקר הפוסט-דוקטורט של סטנפורד, מתיו גאבי. הוא מתעניין בכימיה של ממשקים - מקומות שבהם שלב אחד של חומר נתקל במישהו אחר, למשל הגבול בין האוויר והמים. מתברר כי ממשקים חשובים מאוד בגידול יהלומים עם תהליך הנקרא CVD, או בתצהיר אדי כימי, זה נעשה שימוש נרחב לעשות יהלום סינתטי לתעשייה ותכשיטים.

"מה שאני מתרגש הוא להבין איך גודל וצורה ומבנה מולקולרי משפיעים על תכונות החומרים החשובים לטכנולוגיות מתפתחות", אומר גבעי. "זה כולל יהלומים ננו לשימוש בחיישנים ובמחשוב קוונטי, אנחנו צריכים לעשות אותם בצורה מהימנה ובאיכות גבוהה באופן עקבי".

יהלומים או עיפרון להוביל?

כדי לגדל יהלומים במעבדה עם CVD, זרעים זעירים של יהלום מרוסק הם זרעו על משטח חשוף פלזמה - ענן של גז מחומם לטמפרטורות גבוהות כאלה אלקטרונים הם הפשטו מן האטומים שלהם. פלזמה מכיל מימן ופחמן, שני האלמנטים הדרושים כדי ליצור יהלום.

פלסמה זו יכולה להמיס את הזרעים או לגרום להם לגדול, אומר גבי, והמתחרים בין השניים קובעים אם יצרו גבישים גדולים יותר. מכיוון שישנן דרכים רבות לארוז אטומי פחמן לתוך מוצק, כל זה צריך להיעשות רק בתנאים הנכונים; אחרת אתה יכול בסופו של דבר עם גרפיט, הידוע בכינויו עיפרון להוביל, במקום הדברים נוצץ היית אחרי.

זרעים Diamondoid לתת למדענים רמה טובה יותר של שליטה על תהליך זה. למרות שהם קטנים מדי כדי לראות ישירות, אפילו עם המיקרוסקופים החזקים ביותר, הם יכולים להיות מסודר במדויק על פי מספר אטומי פחמן שהם מכילים ואז מחובר כימית על פני השטח של פרוסות סיליקון כך הם מוצמדים במקום להיות חשוף פלזמה. הגבישים שגדלים סביב הזרעים בסופו של דבר גדלים מספיק כדי לספור תחת מיקרוסקופ, וזה מה שהחוקרים עשו.

מספר הקסם הוא 26

למרות שהיהלומים שימשו לזרע צמיחת יהלומים בעבר, אלה היו הניסויים הראשונים לבחון את ההשפעות של שימוש זרעים בגדלים שונים. הצוות גילה כי הצמיחה גביש באמת המריא עם זרעים המכילים לפחות 26 אטומי פחמן.

חשוב מכך, אומר גבי, הם הצליחו למדוד ישירות את מחסום האנרגיה שחלקיקי יהלום צריכים להתגבר עליו כדי לגדול לתוך גבישים.

"חשבו שמכשול זה צריך להיות כמו הר ענקי שאטומי הפחמן לא יוכלו לחצות אותו - ולמעשה, במשך עשרות שנים היתה שאלה פתוחה של למה אנחנו יכולים אפילו לעשות יהלומים מלכתחילה", הוא אומר. אומר. "מה שמצאנו היה יותר כמו גבעה קלה".

"זה באמת מחקר בסיסי, אבל בסופו של דבר, מה שאנחנו באמת מתרגש ונהיגה עבור היא דרך צפויה ואמינה לעשות ננו יהלומים.כעת פיתחנו את הידע המדעי הבסיסי הנדרש כדי לעשות זאת, אנו מחפשים דרכים לשים אלה nanomaterials יהלום לשימוש מעשי. "

menu
menu