Små elektriske felter kan spille en afgørende rolle i dannelsen af ​​diamant

Diamant, som grafit, er en særlig form for kulstof. Dens kubiske krystalstruktur og dens stærke kemiske bindinger giver den dens unikke hårdhed. I tusinder af år, det har også været eftertragtet som både et værktøj og som en ting af skønhed. Først i 1950'erne blev det for første gang muligt at fremstille diamanter kunstigt.

De fleste naturlige diamanter dannes i jordens kappe på mindst 150 kilometers dybde, hvor der hersker temperaturer på over 1500 grader Celsius og enormt høje tryk på adskillige gigapascal - mere end 10.000 gange højere end et godt oppustet cykeldæk. Der er forskellige teorier for de nøjagtige mekanismer, der er ansvarlige for deres dannelse. Udgangsmaterialet er karbonatrige smelter, dvs. forbindelser af magnesium, calcium eller silicium som er rige på både ilt og kulstof.

En ny vej til dannelse af diamanter

Fordi elektrokemiske processer finder sted i jordens kappe, og de smelter og væsker, der findes der, kan have en høj elektrisk ledningsevne, forskere ledet af Yuri Palyanov fra V. S. Sobolev Institute of Geology and Mineralogy SB ved det russiske videnskabsakademi Novosibirsk udviklede en model for dannelsen af ​​diamanter, hvor stærkt lokaliserede elektriske felter spiller en central rolle. Ifølge dette koncept, påføring af mindre end blot én volt - en spænding lavere end den, der leveres af de fleste husholdningsbatterier - giver elektroner, der udløser en kemisk transformationsproces. Disse tilgængelige elektroner gør det muligt for visse kulstof-iltforbindelser i karbonaterne at blive til CO ₂ gennem en række kemiske reaktioner, i sidste ende fører til rent kulstof i form af diamant.

For at teste deres teori, det russiske forskerhold udviklede et sofistikeret forsøgsanlæg:En platinkapsel på millimeterstørrelse var omgivet af et varmesystem, som igen var placeret i et højtryksapparat, der var nødvendigt for at producere enorme tryk på op til 7,5 gigapascal. Lille bitte, omhyggeligt konstruerede elektroder ført ind i kapslen, som var blevet fyldt med karbonat eller carbonat-silikat pulvere. Talrige eksperimenter blev kørt ved temperaturer mellem 1300 og 1600°C, hvoraf nogle varede helt op til 40 timer.

Diamanter vokser kun med spænding

Forsøgene udført i Novosibirsk viste, som forudsagt, at små diamanter vokser i nærheden af ​​den negative elektrode i løbet af flere timer, men dette skete kun, når der blev påført en lille spænding; en halv volt var allerede nok. Med en diameter på højst 200 mikrometer, dvs. en femtedel af en millimeter, de nyskabte krystaller var mindre end et typisk sandkorn. Desuden, som forventet, det andet rene kulstofmineral grafit viste sig at dannes i eksperimenter udført ved lavere tryk. Yderligere bevis på den nye mekanisme kom, da forskeren vendte spændingspolariteten - diamanter voksede derefter på den anden elektrode, præcis som forventet. Uden at der tilføres nogen spænding fra ydersiden af ​​kapslen dannes der hverken grafit eller diamanter. I nærheden af ​​diamanterne, der blev også fundet andre mineraler, der er forbundet med Jordens dybe kappe.

"Forsøgsfaciliteterne i Novosibirsk er absolut imponerende, siger Michael Wiedenbeck, leder af SIMS-laboratoriet ved GFZ, som er en del af Potsdams Modular Earth Science Infrastructure (MESI). Han har samarbejdet med de russiske forskere i mere end ti år; han sammen med SIMS laboratorieingeniør Frédéric Couffignal, analyseret diamanter produceret af deres russiske kolleger. For at afgøre, om Yuri Palyanovs teori om diamantdannelse er fuldstændig korrekt, diamanternes isotopsammensætning skulle karakteriseres meget præcist.

Præcisionsanalyse "made in Potsdam"

Potsdam-forskerne brugte sekundær ionmassespektrometri (SIMS) til dette formål. Potsdam-instrumentet er et højt specialiseret massespektrometer, at give geovidenskabsfolk fra hele verden højpræcisionsdata fra ekstremt små prøver. "Med denne teknologi kan vi bestemme sammensætningen af ​​små områder på sub-millimeter prøver med stor præcision, " siger Wiedenbeck. Således, mindre end en milliardtedel af et gram fra en laboratoriefremstillet diamant skulle fjernes ved hjælp af en meget præcist målrettet ionstråle. Elektrisk ladede atomer blev derefter sprøjtet ind i et seks meter langt apparat, som hver adskilte milliarder af partikler baseret på deres individuelle masse. Denne teknologi gør det muligt at adskille kemiske grundstoffer, og især er det muligt at skelne mellem deres lettere eller tungere varianter kendt som isotoper. "På den måde har vi vist, at forholdet mellem kulstofisotoperne 13C til 12C opfører sig nøjagtigt efter den model, som vores kolleger i Novosibirsk har udviklet. Hermed vi har bidraget til den sidste brik i puslespillet, så at sige, for at bekræfte denne teori, siger Wiedenbeck. det skal bemærkes, at denne nye metode ikke er egnet til masseproduktion af store kunstige diamanter.

"Vores resultater viser tydeligt, at elektriske felter bør betragtes som en vigtig yderligere faktor, der påvirker krystalliseringen af ​​diamanter. Denne observation kan vise sig at være ret vigtig for at forstå skift i kulstofisotopforhold inden for det globale kulstofkredsløb, " opsummerer Yuri Polyanov.