V první, vědci přesně měří, jak syntetické diamanty rostou

Stav mysli - Psychologie kontroly myšlení -dokument (www.Dokumenty.TV) cz / sk +titulky auto (Smět 2019).

Anonim

Přírodní diamant je kovaný obrovskými tlaky a teplotami hluboko pod zemí. Ale syntetický diamant může být pěstován nukleací, kde drobné kousky diamantu "osetou" růst větších diamantových krystalů. Totéž se děje v oblacích, kde částice rostou ledové krystaly, které se pak roztaví do dešťových kapalin.

Vědci nyní poprvé pozorovali, jak diamanty rostou ze semen na atomové úrovni, a zjistili, jak velké semena potřebují k tomu, aby proces růstu krystalů nakopnul.

Výsledky zveřejněné tento týden ve sborníku Národní akademie věd vysvětlují, jak probíhá nukleace nejen v diamantech, ale v atmosféře, v křemíkových krystalech používaných pro počítačové čipy a dokonce i v proteinech, které se sdružují v neurologických onemocněních.

"Růst nukleace je základním principem vědy o materiálech a existuje teorie a vzorec, který popisuje, jak se to děje v každé učebnici, " říká Nicholas Melosh, profesor na Stanfordské univerzitě a Národní laboratoř akcelerátorů SLAC, které vedlo výzkum. "Jak popisujeme to, že jdeme z jedné hmotné fáze do druhé, například z kapalné vody na led."

Ale zajímavé je, říká: "Navzdory rozšířenému použití tohoto procesu všude, teorie za ním nikdy nebyla experimentálně testována, protože pozorování toho, jak začíná růst krystalů ze semen atomového měřítka, je extrémně obtížné."

Nejmenší možné skvrny

Ve skutečnosti vědci již dlouhou dobu vědí, že současná teorie často nadhodnocuje, kolik energie potřebuje k zahájení procesu nukleace a docela málo. Přicházeli s potenciálními způsoby, jak sladit teorii s realitou, ale až dosud byly tyto myšlenky testovány pouze v poměrně velkém měřítku, například s molekulami bílkovin, spíše než v atomové škále, kde začíná tvorba nukleace.

Aby viděl, jak to funguje v nejmenším měřítku, Melosh a jeho tým se obrátili na diamantoidy, nejmenší možné diamanty. Nejmenší obsahují pouze 10 atomů uhlíku. Tyto skvrny jsou zaměřením programu DOE financovaného v SLAC a Stanfordu, kde jsou přirozeně se vyskytující diamantoidy izolovány z ropných kapalin, tříděny podle velikosti a tvaru a studovány. Nedávné experimenty naznačují, že mohou být použity jako bloky typu Lego pro sestavování nanovláken nebo "molekulových kovadlin" pro vyvolání chemických reakcí, mimo jiné.

Nejnovější kolo experimentů vedl postfordský výzkumný pracovník Stanford Matthew Gebbie. Zajímá se o chemii rozhraní - místa, kde jedna fáze hmoty narazí na jinou, například hranice mezi vzduchem a vodou. Ukazuje se, že rozhraní jsou neuvěřitelně důležitá při pěstování diamantů se systémem nazývaným CVD nebo chemickým vylučováním par, který je široce používán k výrobě syntetického diamantu pro průmysl a šperky.

"Jsem nadšená tím, že chápu, jak velikost a tvar a molekulární struktura ovlivňují vlastnosti materiálů, které jsou důležité pro vznikající technologie, " říká Gebbie. "To zahrnuje diamanty na bázi nanometrů pro použití v senzorech a v kvantové výpočetní technice. Musíme je spolehlivě a trvale vyrábět."

Diamantové nebo tužkové olovo?

K růstu diamantu v laboratoři s CVD jsou na povrchu nasazeny drobné kousky drceného diamantu a vystaveny plazmě - mraku plynu ohřátého na tak vysoké teploty, že elektrony jsou odstraněny z jejich atomů. Plazma obsahuje vodík a uhlík, dva prvky potřebné k vytvoření diamantu.

Tato plazma může buď rozptýlit semena nebo je nechat růst, říká Gebbie a konkurence mezi těmito dvěma způsoby určuje, zda se tvoří větší krystaly. Vzhledem k tomu, že existuje mnoho způsobů, jak zabalit atomy uhlíku do pevného tělesa, musí to být provedeno pouze za správných podmínek. jinak byste mohli skončit grafitem, běžně známým jako tužka, namísto toho, co jste si vzali.

Diamantové semena poskytují vědcům mnohem jemnější úroveň kontroly nad tímto procesem. Přestože jsou příliš malé, aby se daly přímo vidět, dokonce i s nejmocnějšími mikroskopy, mohou být přesně roztříděny podle počtu atomů uhlíku, které obsahují, a poté chemicky připojeny k povrchu křemíkové destičky, takže jsou připevněny na místě vystavení plazmě. Krystaly, které rostou kolem semen, se nakonec dostanou na to, aby se počítaly pod mikroskopem, a to je to, co vědci udělali.

Kouzelné číslo je 26

Ačkoli diamantoidy byly používány k semeni růstu diamantů dříve, to byly první pokusy otestovat účinky používání semen různých velikostí. Tým objevil, že růst krystalů skutečně vzdal se semeny, které obsahovaly nejméně 26 atomů uhlíku.

Ještě důležitější je, že Gebbie říká, že dokázali přímo měřit energetickou bariéru, kterou diamantoidní částice musí překonat, aby mohly růst do krystalů.

"Domnívalo se, že tato bariéra musí být jako gigantická hora, kterou by atomy uhlíku neměly být schopné překročit - a ve skutečnosti už po desetiletí existuje otevřená otázka, proč bychom mohli poprvé vyrobit diamanty, " uvedl říká. "To, co jsme našli, bylo spíš jako mírný kopec."

Gebbie dodává: "Toto je skutečně fundamentální výzkum, ale na konci dne je to, co jsme opravdu nadšeni a řídili, předvídatelným a spolehlivým způsobem, jak vyrobit diamantové nanomateriály. Nyní, když jsme vyvinuli potřebné vědecké poznatky abychom tak učinili, budeme hledat způsoby, jak tyto diamantové nanomateriály umístit do praxe. "

menu
menu