Fremskridt med at fremstille nanokrystallinske diamanter til studiematerialer under ekstreme forhold

Ved hjælp af en nanokrystallinsk diamant bygget ved plasma -dampaflejring, Yogesh Vohra, Ph.d., har allerede produceret et tryk, der er næsten to gange større end det, der findes i midten af ​​jorden.

Nu melder han, i en undersøgelse offentliggjort i Videnskabelige rapporter , at fremstillingsprocessen for disse romaner, nanokrystallinske diamantmikroambolder har vist sig at være "bemærkelsesværdigt konsekvente" og demonstrerer "et højt reproducerbarhedsniveau i fremstilling."

Disse resultater er opmuntrende for fortsat forskning for at studere materialer under ekstreme betingelser for tryk og temperatur, siger Vohra, en professor og universitetslærer i fysik ved UAB College of Arts and Sciences ved University of Alabama i Birmingham.

Den nanokrystallinske diamant ligner en lille nubbin af materiale dyrket oven på den flade culetoverflade på en diamant på en tredjedel karat perle. For at konstruere nubbinen, perle diamanten er belagt med en wolfram tynd film, der har en cirkel på 15 til 20 mikrometer ætset ud i midten. Den nanokrystallinske diamant begynder at vokse som små diamantkorn i den cirkel oven på perle -diamantoverfladen. Kornene dannes ved dampaflejring fra plasma fremstillet ved opvarmning af metan, brint- og nitrogengasser.

Plasma er varmt, ioniseret gasformigt stof, der er stofets fjerde tilstand efter væsker, faste stoffer og gasser. Korn af nanokrystallinsk diamant er typisk mellem 5 og 100 nanometer store.

Vohra og UAB-kolleger kiggede på nanokrystalernes nukleationsmorfologier på et tidligt stadium, tre og 15 minutter efter syntesestart. De fandt ud af, at nukleation af nanokrystallinske diamanter begynder hurtigt, og uden behov for præ-vækst overflade såning med bittesmå diamanter. I modsætning, en sådan såning er nødvendig for diamantvækst på nogle andre overflader.

Efter kun et minuts vækst, elektronmikroskopbilleder viste betydelige nukleationssteder på overfladen af ​​enkeltkrystalperlen med diamantambolt. Efter tre minutter, kun små områder af perleoverfladen manglede nanokrystallinsk diamantdækning, og med 15 minutter, der var fuldstændig og ensartet dækning af nanokrystallinske korn, der begynder at klumpe sig sammen over hele vækstområdet.

Væksten aftog mellem tre og seks timer, og den nanokrystallinske diamant havde en tendens til at samle sig til en hemisfærisk struktur. Vohra siger, at denne geometri er blevet observeret konsekvent over hvert to-trins vækstforsøg, UAB-forskerne har udført. Ud over, der synes at være en geometrisk grænse for de samlede vækstdimensioner.

Den nanokrystallinske nubbin øger i høj grad det tryk, der kan opnås med diamantmikroambolter. Enkeltkrystal perle diamanter med en kulestørrelse på 300 mikron, uden den nanokrystallinske nubbin, kan kun generere 75 gigapascal tryk. Når den nanokrystallinske diamant tilsættes, mikro-ambolterne kan generere så meget som 500 gigapascal tryk. UAB -forskerne håber at nå et pres på 1, 000 gigapascal, eller en terapascal, tryk med deres nanokrystallinske diamantmikroambolter. Det er tæt på trykket i midten af ​​planeten Saturn.

Dette enorme pres kan potentielt skabe endnu ukendte nye materialer og bruges også til at studere faseændringer og kompressionsadfærd af materialer. I den naturlige verden, sådanne enorme kræfter dybt under jorden kan omdanne kulstof til diamanter, eller vulkansk aske i skifer.

UAB-teamet undersøgte også nanokrystallinske diamantmikroambolter, der viste frigørelse under komprimering og dekomprimering i en diamantamboltcelleindretning. Ved hjælp af elektronkraftmikroskopi, scannende elektronmikroskopi og Raman -spektroskopi, forskerne fandt ud af, at løsrivelsesfejlen opstod i hovedparten af ​​enkeltkrystalperlen med diamantambolt under culetoverfladen, ikke ved grænsefladen mellem ædelstenen og den nanokrystallinske diamantnubbin.

Dette indikerede, at den grænsefladeklæbende styrke mellem ædelstenen og den nanokrystallinske diamantnubbin ser ud til at være betydelig, og at grænsefladen kan overleve ultrahøje forskydningsspændinger.

Vohra siger, at UAB-forskere vil fortsætte undersøgelser for at manipulere kornstørrelse og klæbestyrke ved grænsefladen for at optimere nanokrystallinske diamantmikroambolter til højtryksforskning.