Stof fundet i fossile brændstoffer kan omdannes til ren diamant

Det lyder som alkymi:tag en klump hvidt støv, klem det i et trykkammer med diamantbesat, spræng det derefter med en laser. Åbn kammeret og find et nyt mikroskopisk fnug af ren diamant indeni.

En ny undersøgelse fra Stanford University og SLAC National Accelerator Laboratory afslører, hvordan, med omhyggelig justering af varme og tryk, den opskrift kan producere diamanter fra en type brint- og kulstofmolekyle, der findes i råolie og naturgas.

"Det spændende ved dette papir er, at det viser en måde at snyde termodynamikken på, hvad der typisk kræves til diamantdannelse, " sagde Stanford geolog Rodney Ewing, en medforfatter på papiret, offentliggjort 21. februar i tidsskriftet Videnskabens fremskridt .

Forskere har syntetiseret diamanter fra andre materialer i mere end 60 år, men transformationen kræver typisk uforholdsmæssigt store mængder energi, tid eller tilsætning af en katalysator - ofte et metal - der har en tendens til at forringe kvaliteten af ​​det endelige produkt. "Vi ville bare se et rent system, hvor et enkelt stof omdannes til ren diamant - uden en katalysator, " sagde undersøgelsens hovedforfatter, Sulgiye Park, en postdoc-forsker ved Stanford's School of Earth, Energi- og miljøvidenskab (Stanford Earth).

At forstå mekanismerne for denne transformation vil være vigtig for applikationer ud over smykker. Diamantens fysiske egenskaber - ekstrem hårdhed, optisk gennemsigtighed, kemisk stabilitet, høj varmeledningsevne - gør det til et værdifuldt materiale til medicin, industri, kvantecomputerteknologier og biologisk sansning.

"Hvis du kan lave selv små mængder af denne rene diamant, så kan du dope det på kontrollerede måder til specifikke applikationer, " sagde seniorforfatter Yu Lin, en stabsforsker ved Stanford Institute for Materials and Energy Sciences (SIMES) ved SLAC National Accelerator Laboratory.

En naturlig opskrift

Naturlige diamanter krystalliserer fra kulstof hundredvis af miles under Jordens overflade, hvor temperaturen når tusinder af grader Fahrenheit. De fleste naturlige diamanter, der er gravet frem til dato, steg opad i vulkanudbrud for millioner af år siden, bærer gamle mineraler fra Jordens dybe indre med sig.

Som resultat, diamanter kan give indsigt i de forhold og materialer, der findes i planetens indre. "Diamanter er kar til at bringe prøver tilbage fra de dybeste dele af jorden, " sagde Stanford mineralfysiker Wendy Mao, som leder laboratoriet, hvor Park udførte de fleste af undersøgelsens eksperimenter.

For at syntetisere diamanter, forskerholdet begyndte med tre typer pulver raffineret fra tankskibe fyldt med olie. "Det er en lille mængde, " sagde Mao. "Vi bruger en nål til at samle en lille smule op for at få det under et mikroskop til vores eksperimenter."

Ved første øjekast, den lugtfri, lidt klistrede pulvere ligner stensalt. Men et trænet øje, der kigger gennem et kraftigt mikroskop, kan skelne atomer arrangeret i det samme rumlige mønster som de atomer, der udgør diamantkrystal. Det er som om det indviklede gitter af diamant var blevet skåret op i mindre enheder bestående af én, to eller tre bure.

I modsætning til diamant, som er rent kulstof, pulverne - kendt som diamantoider - indeholder også brint. "Startende med disse byggeklodser, " sagde Mao, "du kan lave diamanter hurtigere og nemmere, og du kan også lære om processen på en mere komplet, tankevækkende måde, end hvis du bare efterligner det høje tryk og den høje temperatur, der findes i den del af Jorden, hvor diamant dannes naturligt."

Diamantoider under tryk

Forskerne indlæste diamantformede prøver i et trykkammer på størrelse med en blomme, kaldet en diamantamboltcelle, som presser pulveret mellem to polerede diamanter. Med blot en simpel hånddrejning af en skrue, enheden kan skabe den form for tryk, du kan finde i jordens centrum.

Næste, de opvarmede prøverne med en laser, undersøgte resultaterne med et batteri af tests, og kørte computermodeller for at hjælpe med at forklare, hvordan transformationen havde udspillet sig. "Et grundlæggende spørgsmål, vi forsøgte at besvare, er, om strukturen eller antallet af bure påvirker, hvordan diamantoider omdannes til diamant, " sagde Lin. De fandt ud af, at diamantformen med tre bur, kaldet triamantan, kan omorganisere sig selv til diamant med overraskende lidt energi.

Ved 900 Kelvin - hvilket er omkring 1160 grader Fahrenheit, eller temperaturen af ​​glødende lava - og 20 gigapascal, et tryk, der er hundredtusindvis af gange større end Jordens atmosfære, triamantans kulstofatomer klikker på linje, og dets brint spredes eller falder væk.

Forvandlingen udspiller sig på de slankeste brøkdele af et sekund. Det er også direkte:atomerne passerer ikke gennem en anden form for kulstof, såsom grafit, på vej til at lave diamant.

Den lille prøvestørrelse inde i en diamantamboltcelle gør denne fremgangsmåde upraktisk til at syntetisere meget mere end de pletter af diamant, som Stanford-teamet producerede i laboratoriet. sagde Mao. "Men nu ved vi lidt mere om nøglerne til at lave rene diamanter."