Videnskab
 science >> Videnskab >  >> Fysik

Forskere kigger dybt ind i en diamant for at undersøge dens defekter

Kredit:Wits University

Forskere kigger dybt ind i en diamant for at se, hvordan atomerne i dens trombocytfejl er arrangeret i det hårdeste naturmateriale, man kender.

Et multinationalt team af forskere, herunder en videnskabsmand fra Wits University, har kigget dybt ind i en diamant for at se, hvordan atomerne i dets trombocytfejl er arrangeret i det hårdeste naturmateriale, man kender.

Ved hjælp af to processer, nemlig transmissionselektronmikroskopi og elektronenergitabspektroskopi, forskerne undersøgte det rumlige arrangement af kulstof- og nitrogenatomer, der udgjorde defektenes kerne. Arten af ​​bindingerne mellem atomerne blev også bestemt.

Ligesom hulrum og inklusioner, blodplader er kendt som "defekter" eller mangler i diamanter. Hvor kulstofatomerne i diamanter er i perfekt periodisk arrangement, en trombocytdefekt forstyrrer det periodiske arrangement af carbonatomerne, resulterer i en defekt, der ligner en lille ret linje inde i ædelstenen, når den afbildes med et elektronmikroskop langs en bestemt retning i diamantkrystallen.

Forskning om arten af ​​defekter i en diamant har været i gang i mange årtier, men gennembruddet kom, da en atomopløsnings -aberration korrigerede transmissionselektronmikroskop ved Center for Højopløselig Mikroskopi ved Nelson Mandela -universitetet blev brugt til at billede og analysere trombocytdefekterne. Mikroskopet blev betjent i tilstanden scanningstransmissionselektronmikroskopi (STEM), ved hjælp af en højvinklet ringformet mørkfeltdetektor sammen med elektronenergitab (EEL) spektrumbilleddannelse, siger professor Mervin Naidoo fra Wits School of Physics. En artikel om holdets arbejde, der omfattede forskere fra Nelson Mandela University, Free State University, Oxford University i Storbritannien og Max Planck Institute i Tyskland, blev for nylig offentliggjort i tidsskriftet, Naturmaterialer .

Tynde diamantsnit til STEM-analyse blev fremstillet ved hjælp af en fokuseret ionstråle (FIB) til at skære sektioner på 5x10 mikrometer med en tykkelse på ca. 20-50 nanometer (nm er en milliarddel af en meter). Sektionerne blev derefter undersøgt i et atomopløsnings elektronmikroskop ved at føre en fokuseret stråle af elektroner med en veldefineret energi gennem den tynde diamantsektion. Interferensmønsteret, der dannes af elektronens "bølger" efter at have passeret gennem et tyndt diamantsnit, genererer et billede af det rumlige arrangement af carbonatomerne i diamantkrystal samt carbon- og nitrogenatomer i trombocytdefekten. De tilsvarende elektroner-energitabdata giver information om blodpladens kemiske sammensætning og arten af ​​de kemiske bindinger mellem atomerne.

"Ved at placere disse billeder på hinanden, vi var i stand til at skabe et unikt billede af blodpladen, "siger Naidoo.

Mens mange teoretiske modeller af atomarrangementet af atomer i blodpladerne tidligere blev foreslået, den nuværende undersøgelse var den første nogensinde, der lykkedes med at afbilde de nøjagtige atompositioner i blodpladerne og matche den med en af ​​de tidligere foreslåede teoretiske modeller.

Kulstofatomer i en diamant er arrangeret i et periodisk tredimensionelt gitter. Trombocytdefekten afbryder det periodiske arrangement af atomer ved at indføre en form for udvidet plan defekt, indeholder for det meste kulstof og nogle nitrogenatomer. Atomer i blodpladen er arrangeret i en zigzag -rækkefølge af defektpar langs defektlinjen.

"Diamanter er budbringere fra det dybe. Kendskabet til strukturen og sammensætningen af ​​en trombocytdefekt kan fortælle os, hvordan diamanter dannes på jorden, og hvilke processer der er involveret i deres dannelse, "siger Naidoo. Med andre ord, den nuværende viden gør det nu muligt for forskere at formulere en dynamisk model af de mulige punktdefektinteraktioner, der til sidst dannede denne trombocytstruktur. "

Trombocytter kan nu også produceres i syntetiske diamanter, hvilket ville give forskere mulighed for at sammenligne arten af ​​blodplader i naturlige diamanter med deres syntetiske modstykker.

Disse resultater afslørede også, at blodplader ikke kun består af nitrogenatomer, men det viste, at blodplader indeholder nitrogen, og nitrogenatomer spiller sandsynligvis en rolle i blodpladernes dannelseskinetik.

"Vi har afdækket et mysterium. Vi har ved atomopløsning elektronbilledteknikker besvaret spørgsmålet om atomarrangement af atomer i trombocytdefekter i diamant. Denne undersøgelse åbner nu for andre spændende forskningsveje, "siger Naidoo." Dette er ikke slutningen på historien. "

Varme artikler