Znanstvenici su razvili novu tehniku za sintezu dijamanata pri normalnom atmosferskom tlaku i bez potrebe za početnim dijamantom, što bi moglo olakšati proizvodnju dragocjenih kamenja u laboratoriju.
Prirodni dijamanti nastaju u Zemljinom plaštu, rastopljenom sloju stotinama kilometara ispod površine planeta. Proces se odvija pod ogromnim pritiscima od nekoliko gigapaskala i temperaturama iznad 1500 stupnjeva Celzijusa.
Slični uvjeti primjenjuju se u metodi koja se trenutno koristi za sintezu 99% svih umjetno stvorenih dijamanata. Ova metoda, poznata kao rast visokog tlaka i visoke temperature (na negl. high-pressure and high-temperature – HPHT), koristi ekstremne postavke kako bi se ugljik otopljen u tekućim metalima, poput željeza, pretvorio u dijamant oko malog sjemena, ili početnog dijamanta.
Nedostaci Postojećih Metoda
Međutim, visoki tlakovi i temperature teško se postižu i održavaju. Osim toga, komponente uključene u proces utječu na veličinu dijamanata, s najvećima koji su otprilike veličine borovnice. HPHT metoda također zahtijeva prilično dugo vrijeme — tjedan ili dva — za proizvodnju čak i ovih malih dijamanata. Druga metoda, nazvana kemijska depozicija iz pare (na engl. chemical vapor deposition – CVD), uklanja neke zahtjeve HPHT-a, poput visokog tlaka. No, potreba za sjemenom ostaje.
Nova tehnika uklanja neke nedostatke oba procesa sinteze. Tim predvođen fizičkim kemičarem Rodneyjem Ruoffom s Instituta za osnovne znanosti u Južnoj Koreji objavio je svoja otkrića 24. travnja u časopisu Nature.
Razvoj ove metode trajao je više od desetljeća. “Već više od desetljeća razmišljam o novim načinima ‘uzgoja’ dijamanata, jer sam mislio da bi to moglo biti moguće postići na načine koji bi mogli biti neočekivani prema ‘konvencionalnom’ razmišljanju,” rekao je Ruoff putem e-maila za Live Science.
Proces Sinteze
Za početak, istraživači su koristili električno zagrijani galij s malo silicija u grafitnom lončiću. Galij je odabran jer je prethodno istraživanje pokazalo da može katalizirati stvaranje grafena iz metana. Grafen, poput dijamanta, je čisti ugljik, ali sadrži atome u jednom sloju, za razliku od tetraedarske orijentacije dijamanta.
Istraživači su smjestili lončić u izrađenu komoru održavanu pri atmosferskom tlaku na razini mora, kroz koju se mogao propuštati superzagrijani, ugljikom bogat metan. Ovu komoru kapaciteta 9 litara dizajnirao je suautor Won Kyung Seong, također s Instituta za osnovne znanosti, a mogla se pripremiti za eksperimentiranje u samo 15 minuta, što je omogućilo timu brzo provođenje pokusa s različitim koncentracijama metala i plinova.
Kroz ove prilagodbe, istraživači su utvrdili da je mješavina galija, nikla i željeza, uz dodatak silicija, optimalna za kataliziranje rasta dijamanata. Koristeći ovu mješavinu, tim je uspio proizvesti dijamante na dnu lončića već nakon 15 minuta. U roku od dva i pol sata formirao se potpuni dijamantni film. Spektroskopske analize pokazale su da je ovaj film uglavnom čist, ali je sadržavao nekoliko atoma silicija.
Izazovi i Mogućnosti
Mehanizam formiranja dijamanata još uvijek nije potpuno jasan, ali istraživači vjeruju da pad temperature usmjerava ugljik iz metana prema središtu lončića, gdje se pretvara u dijamant. Također, bez prisutnosti silicija, dijamanti se ne formiraju, što sugerira da silicij može djelovati kao sjeme za kristalizaciju ugljika. Međutim, nova metoda ima svoje izazove. Jedan od problema je veličina dijamanata ‘uzgojenih’ ovom tehnikom; najveći su stotine tisuća puta manji od onih uzgojenih HPHT metodom, što ih čini premalenima za upotrebu kao dragulji.
Potencijalne primjene dijamanata sintetiziranih novom tehnikom u tehnološkim aplikacijama poput poliranja i bušenja još uvijek nisu jasne. Ipak, zbog niskog tlaka koji se koristi u procesu, Ruoff je izjavio da bi metoda mogla značajno povećati sintezu dijamanata. “Za otprilike godinu ili dvije, svijet bi mogao imati jasniju sliku o mogućem komercijalnom utjecaju,” dodao je. Nova metoda sinteze dijamanata pri normalnom atmosferskom tlaku mogla bi revolucionirati laboratorijsku proizvodnju dijamanata, iako postoje izazovi koje treba prevladati. Potencijal za primjenu u tehnološkim industrijama mogao bi otvoriti nove mogućnosti za korištenje ovih sintetičkih dragulja, što bi moglo dovesti do značajnih promjena na tržištu dijamanata.
Pozdrav svima! Hvala što čitate Kozmos.hr! Ja sam Ivan i dugi niz godina pišem o svermiu, astronomiji, znanosti, povijesti i arheologiji, a imao sam priliku sudjelovati i u dokumentarcima Science Discovery-ja te History Channel-a.
