Новости DESY - Крошечные алмазы на гигантской дробилке
Высокопроизводительная линия прессования DESY на установке PETRA III сыграла решающую роль в важном научном результате (см. статью в журнале Nature в свободном доступе здесь).
Алмазы — драгоценные камни и одни из самых твердых материалов на Земле, они не только красивы, но и полезны в промышленности и науке. Для их получения необходимо воздействовать высокими температурами и давлением на молекулы углерода, такие как графит. В недавней работе, опубликованной в журнале Nature, описывается, как исследователи смогли создать алмазы размером от трех до четырех нанометров, в то время как толщина человеческого волоса составляет от 80 000 до 100 000 нанометров. Эти наноалмазы могут быть использованы в различных целях, от чрезвычайно прочных режущих инструментов до квантовых технологий. Но как они образуются? Исследовательская группа смогла проанализировать процесс их получения, используя рентгеновские лучи PETRA III и очень большую дробилку.
Исследовательская группа под руководством Института полимерных исследований им. Макса Планка в Майнце, Германия, создала наноалмазы из небольших фрагментов молекулы углерода, связанной водородными связями, — графена. Синтез алмазов является рутинной практикой в стандартных лабораториях уже более 50 лет. Однако получение высокочистых нанокристаллических алмазов ювелирного качества представляет собой значительно более сложную задачу, поскольку требует исключительно чистых исходных материалов, точного контроля микроструктуры растущих нанокристаллов и подавления неконтролируемого роста кристаллов при высоких температурах.
Большой пресс Aster-15 на линии P61B в PETRA III. Иллюстрация: DESY
Нанокристаллический алмаз с однородным размером зерен очень ценен. Он сверхтвердый, фактически, с более высокой геологической твердостью, чем обычные алмазы. Ученые DESY добилась большого успеха: им удалось создать эту структуру при более низком давлении и температуре, чем это потребовалось бы при использовании обычного графита. Был использован крупнообъемный пресс под названием Aster-15 в качестве ключевого элемента станции синхротронного излучения. Пресс может измельчать образцы объемом до размера небольшого кубика сахара под давлением в десятки гигапаскалей, что в 100 000 раз превышает нормальное давление воздуха, одновременно нагревая образец до высоких температур порядка 2000 °C. Исследовательская группа могла легко изменять температуру эксперимента между циклами сжатия, что позволяло им опробовать множество параметров для определения минимальной температуры и давления, необходимых для образования наноалмазов. Используя рентгеновские лучи PETRA III, команда могла непосредственно наблюдать и анализировать точные условия образования наноалмазов каждый раз.
В противном случае, без возможности видеть структуру и температуру сжатия, исследовательской группе пришлось бы проводить множество экспериментов, каждый при разной температуре и давлении, затем охлаждать их и восстанавливать результаты. Это потребовало бы гораздо больше времени, усилий и ресурсов.
В результате команда смогла определить оптимальные исходные материалы, температуры и давления для получения наноалмазов. Результат позволяет ускорить производство нанокристаллических алмазов, которые вызывают все больший интерес для различных применений. Помимо исключительной твердости, наноалмазы представляют интерес для квантовых технологий: дефекты атомного масштаба в кристаллах алмаза могут обнаруживать чрезвычайно слабые магнитные поля. Нанокристаллические алмазы также могут использоваться для прецизионной обработки и высококачественной полировки.
Сейчас этой теме уделяется много внимания. Двадцать лет назад люди сказали бы, что алмазы — это мертвая тема. Теперь, благодаря интересу к квантовым технологиям, многие снова интересуются ими, и эти наноалмазы представляют большой интерес из-за своих качеств.