Ikke alle diamanter er for evigt:Forskere ser nanodiamanter skabt i kul falme væk på få sekunder

(Phys.org) - Billeder taget af forskere fra Rice University viser, at nogle diamanter ikke er for evigt. Risforskerne bag en ny undersøgelse, der forklarer dannelsen af ​​nanodiamanter i behandlet kul, viser også, at nogle mikroskopiske diamanter kun varer sekunder, før de falmer tilbage til mindre strukturerede former for kulstof under påvirkning af en elektronstråle.

Forskningen fra Rice -kemiker Ed Billups og hans kolleger optræder i American Chemical Society's Journal of Physical Chemistry Letters .

Billups og Yanqiu Sun, en tidligere postdoktor i sit laboratorium, oplevede den interessante effekt, mens han arbejdede med måder at kemisk reducere kulstof fra antracitkul og gøre det opløseligt. Først bemærkede de, at nanodiamanter dannede sig midt i det amorfe, hydrogeninfunderede lag af grafit.

Det skete, de opdagede, da de tog nærbilleder af kulet med et elektronmikroskop, som affyrer en elektronstråle ved interessepunktet. Uventet, energitilførslen størknet klynger af hydrogenerede carbonatomer, hvoraf nogle tog nanodiamonds gitterlignende struktur.

"Strålen er meget kraftig, "Billups sagde." At slippe brintatomer ud af noget kræver en enorm mængde energi. "

Selv uden den slags pres, der er nødvendig for at fremstille makroskala diamanter, energien slog løse hydrogenatomer løs for at fremkalde en kædereaktion mellem lag af grafit i kulet, der resulterede i diamanter mellem 2 og 10 nanometer brede.

Men den mest "nano" af nanodiamanterne sås til at falme væk under elektronstrålens kraft i en række billeder taget over 30 sekunder.

"De små diamanter er ikke stabile, og de vender tilbage til udgangsmaterialet, den antracit, "Sagde Billups.

Billups henvendte sig til Rice -teoretiske fysiker Boris Yakobson og hans kolleger ved Technological Institute for Superhard and Novel Carbon Materials i Moskva for at forklare, hvad kemikerne så. Yakobson, Pavel Sorokin og Alexander Kvashnin havde allerede udarbejdet et diagram - kaldet et fasediagram - der demonstrerede, hvordan tynde diamantfilm kan laves uden massivt pres.

De brugte lignende beregninger til at vise, hvordan nanodiamanter kunne dannes i behandlet antracit og subbituminøst kul. I dette tilfælde, elektronmikroskopets stråle slår hydrogenatomer løs fra kulstoflag. Derefter kompenserer de dinglende obligationer ved at forbinde til et tilstødende kulstoflag, som bliver bedt om at oprette forbindelse til det næste lag. Reaktionen zipper atomerne til en matrix, der er karakteristisk for diamant, indtil tryk tvinger processen til at standse.

Naturlig, makroskala diamanter kræver ekstreme tryk og temperaturer for at dannes, men fasediagrammet bør genovervejes for nanodiamanter, sagde forskerne.

"Der er et vindue med stabilitet for diamanter inden for området 19-52 angstrom (tiendedele af et nanometer), ud over hvilken grafit er mere stabil, "Sagde Billups. Stabile nanodiamanter på op til 20 nanometer i størrelse kan dannes i hydrogeneret antracit, de fandt, selvom de mindste nanodiamanter var ustabile under fortsat elektronstråle-stråling.

Billups bemærkede efterfølgende elektronstråleeksperimenter med uberørt antracit, der ikke dannede diamanter, mens test med mindre robuste infusioner af brint førte til områder med "løglignende udkant" af grafitisk kulstof, men ingen fuldt formede diamanter. Begge forsøg gav støtte til behovet for tilstrækkeligt brint til at danne nanodiamanter.

Kvashnin er tidligere besøgende studerende på Rice og kandidatstuderende ved Moskva Institut for Fysik og Teknologi (MIPT). Sorokin har aftaler på MIPT og National University of Science and Technology, Moskva. Yakobson er Rices Karl F. Hasselmann professor i maskinteknik og materialevidenskab, en professor i kemi og medlem af Richard E. Smalley Institute for Nanoscale Science and Technology. Billups er professor i kemi ved Rice.