I det første, forskere måler præcist, hvordan syntetiske diamanter vokser

Naturlig diamant er smedet af et enormt pres og temperaturer dybt under jorden. Men syntetisk diamant kan dyrkes ved kernedannelse, hvor bittesmå diamanter "frøer" væksten af ​​større diamantkrystaller. Det samme sker i skyer, hvor partikler frø væksten af ​​iskrystaller, der derefter smelter til regndråber.

Forskere har nu for første gang observeret, hvordan diamanter vokser fra frø på atomniveau, og opdagede, hvor store frøene skal være for at sparke krystalvækstprocessen i overdrive.

Resultaterne, udgivet i denne uge i Procedurer fra National Academy of Sciences , kaste lys over, hvordan nukleation ikke kun foregår i diamanter, men i atmosfæren, i siliciumkrystaller, der bruges til computerchips og endda i proteiner, der klumper sammen i neurologiske sygdomme.

"Nucleation -vækst er en kerne i materialevidenskaben, og der er en teori og en formel, der beskriver, hvordan dette sker i hver lærebog, "siger Nicholas Melosh, en professor ved Stanford University og Department of Energy's SLAC National Accelerator Laboratory, der ledede forskningen. "Det er, hvordan vi beskriver at gå fra en materiel fase til en anden, for eksempel fra flydende vand til is. "

Men interessant nok, han siger, "på trods af den udbredte brug af denne proces overalt, teorien bag var aldrig blevet testet eksperimentelt, fordi det er ekstremt svært at observere, hvordan krystalvækst starter fra atomfrøfrø. "

De mindste mulige pletter

Faktisk, videnskabsmænd har længe vidst, at den nuværende teori ofte overvurderer, hvor meget energi det tager at starte kernedannelsesprocessen, og ganske lidt. De er kommet med potentielle måder at forene teorien med virkeligheden, men indtil nu er disse ideer kun blevet testet i relativt stor skala, for eksempel med proteinmolekyler, snarere end på atomskalaen, hvor nukleation begynder.

For at se, hvordan det fungerer i den mindste skala, Melosh og hans team vendte sig til diamondoids, de mindste bit af diamant. De mindste indeholder kun 10 carbonatomer. Disse pletter er fokus for et DOE-finansieret program på SLAC og Stanford, hvor naturligt forekommende diamantoider er isoleret fra petroleumsvæsker, sorteret efter størrelse og form og undersøgt. Nylige eksperimenter tyder på, at de kunne bruges som Lego-lignende blokke til samling af nanotråde eller "molekylære ambolter" til at udløse kemiske reaktioner, blandt andet.

Den sidste runde af eksperimenter blev ledet af Stanford postdoktorforsker Matthew Gebbie. Han er interesseret i grænsefladernes kemi - steder, hvor en fase af stof støder på en anden, for eksempel grænsen mellem luft og vand. Det viser sig, at grænseflader er utrolig vigtige i dyrkning af diamanter med en proces kaldet CVD, eller kemisk dampaflejring, der er meget udbredt til fremstilling af syntetisk diamant til industri og smykker.

"Det, jeg er begejstret for, er at forstå, hvordan størrelse og form og molekylær struktur påvirker egenskaberne af materialer, der er vigtige for nye teknologier, "Gebbie siger." Det inkluderer nanoskala -diamanter til brug i sensorer og i kvanteberegning. Vi skal gøre dem pålideligt og med en konsekvent høj kvalitet. "

Diamant eller blyant?

For at dyrke diamant i laboratoriet med CVD, bittesmå stumper af knust diamant podes på en overflade og udsættes for et plasma - en sky af gas opvarmet til så høje temperaturer, at elektroner fjernes fra deres atomer. Plasmaet indeholder hydrogen og kulstof, de to elementer, der er nødvendige for at danne en diamant.

Dette plasma kan enten opløse frøene eller få dem til at vokse, Gebbie siger, og konkurrencen mellem de to afgør, om der dannes større krystaller. Da der er mange måder at pakke kulstofatomer i et fast stof, det hele skal gøres under de helt rigtige forhold; ellers kan du ende med grafit, almindeligvis kendt som blyant bly, i stedet for de glitrende ting, du var ude efter.

Diamondoidfrø giver forskere et meget finere niveau af kontrol over denne proces. Selvom de er for små til at se direkte, selv med de mest kraftfulde mikroskoper, de kan sorteres præcist efter antallet af carbonatomer, de indeholder, og derefter kemisk fastgøres til overfladen af ​​en siliciumskive, så de fastgøres på plads, mens de udsættes for plasma. Krystallerne, der vokser omkring frøene, bliver til sidst store nok til at tælle under et mikroskop, og det er, hvad forskerne gjorde.

Det magiske tal er 26

Selvom diamantoider tidligere var blevet brugt til at frø væksten af ​​diamanter, disse var de første forsøg for at teste virkningerne af at bruge frø i forskellige størrelser. Teamet opdagede, at krystalvækst virkelig tog fart med frø, der indeholder mindst 26 kulstofatomer.

Endnu vigtigere, Gebbie siger, de var i stand til direkte at måle energibarrieren, som diamantformede partikler skal overvinde for at vokse til krystaller.

"Man troede, at denne barriere må være som et gigantisk bjerg, som kulstofatomerne ikke burde kunne krydse - og, faktisk, i årtier har der været et åbent spørgsmål om, hvorfor vi overhovedet kunne lave diamanter, "siger han." Det, vi fandt, lignede mere en mild bakke. "

Gebbie tilføjer, "Dette er virkelig grundforskning, men i slutningen af ​​dagen, det, vi virkelig er begejstrede for og kører efter, er en forudsigelig og pålidelig måde at lave diamantnanomaterialer på. Nu hvor vi har udviklet den underliggende videnskabelige viden, der er nødvendig for at gøre det, vi vil lede efter måder at anvende disse diamant -nanomaterialer på praktisk. "