Nyt kulstofbaseret nanomateriale:Nem diamantsyntese fra lavere diamantoider

I en ny rapport offentliggjort i Videnskabens fremskridt , Sulgiye Park og et forskerhold i geologiske videnskaber, materiale- og energividenskab, avanceret forskning og avancerede strålingskilder i USA og Beijing, Kina, udviklet et kulstofbaseret nanomateriale med exceptionelle egenskaber. De brugte nye "diamantoider" som en lovende forløber til at udvikle laser-induceret, højtryks- og højtemperaturdiamanter. De laveste tryk- og temperaturforhold til at give diamanter i undersøgelsen var 12 GPa ved ca. 2000 K og 900 K ved et tryk på 20 GPa. henholdsvis. Arbejdet viste en væsentligt reduceret transformationsbarriere sammenlignet med diamantsyntese ved anvendelse af konventionelle carbonhydrid-allotroper. Park et al. krediterede observationerne strukturelle ligheder og den fulde sp ³ hybridisering af både diamantoider og bulkdiamant.

Diamant-til-diamant-omdannelsen i arbejdet skete hurtigt inden for 19 µs ved 20 GPa. Ved hjælp af simuleringer af molekylær dynamik, de viste, at dehydrogenering tillod de resterende diamantformede kulstofbure at rekonstruere sig selv til diamantlignende strukturer ved højt tryk og temperatur ( P-T ). Undersøgelsen kortlagde med succes P-T-betingelserne og starttidspunktet for diamantoid-til-diamant-konvertering for klart at forklare kemiske og fysiske faktorer, der letter diamantsyntese.

Diamant har mange fremragende egenskaber og er et af de mest teknisk og kommercielt vigtige materialer. Siden tidlige forsøg på at syntetisere diamanter i det 19 ^th århundrede, materialeforskere har udviklet en fælles indsats for at udvikle energieffektive tilgange og forløbere til at generere diamanter af høj kvalitet. På grund af den høje energibarriere for direkte omdannelse af kulstofprækursorer til diamantfase, et reagens er typisk påkrævet. For at forstå de underliggende mekanismer for diamantsynteseteknologi, at designe et nyt forløbersystem til let diamantsyntese med en reduceret energi- og tidsbarriere er et kritisk fremskridt.

Diamondoider er den mindste form for brintterminerede kulbure, der kan overlejres på diamantgitteret. Materialerne er udelukkende lavet af sp ³ -hybridiserede obligationer og inkluderer andre usædvanlige egenskaber, herunder stivhed, termisk stabilitet og ensartethed på atomniveau, i forhold til bulk diamant. Mens tidligere undersøgelser validerer brugen af ​​diamantoider som lovende diamantprækursorer, forskere søger at forstå mekanistiske veje for diamantoid-til-diamant-transformation via systematiske undersøgelser af tryk-temperatur-fasen (P-T). For at opnå dette, Park et al. brugte laseropvarmede diamantamboleceller (DAC'er) til at udforske diamantsyntese fra en række lavere diamantoider, såsom adamantan, diamantan og triamantan uden brug af et ekstra reagens. Forskergruppen observerede transformationen af ​​lavere diamondoids til diamanter ved en væsentligt reduceret energi og tidsmæssig barriere, sammenlignet med andre (hydro)kulstofmaterialer ved den laveste P-T-grænse. Resultaterne tydeliggør grundlæggende egenskaber og mekanismer, der styrer omdannelsen af ​​kulbrinter til diamant for energi- og tidseffektiv diamantsyntese.

Ved laseropvarmning af diamanter ved højt tryk, Park et al. observeret to adskilte faser, der bidrager til dannelsen af ​​grafit og kubisk diamant. Ved 20 GPa og ~1200 til 2200 K, diamant dannet som det dominerende produkt uden tegn på grafit. Resultaterne viste, at hvis holdet ikke overvandt den kinetiske barriere for faseovergang gennem en øget varighed af laseropvarmning eller højere temperatur, hydrogeneret diamantlignende amorft kulstof dannet sammen med diamant. Da holdet optimerede forholdene, diamondoid-til-diamant faseovergang skete direkte uden grafitdannelse. Park et al. brugte transmissionselektronmikroskopi (TEM) billeder til at verificere diamantdannelse fra triamantan ved 20 GPa og 2000 K.

Da forskerne sammenlignede P-T-syntesediagrammer for de nederste tre diamantoider med konventionelle materialer såsom grafit, de observerede en meget lavere temperaturgrænse for diamantdannelse. Af de tre undersøgte diamantoider, triamantan krævede den laveste temperatur for at danne diamant ved et givet tryk. Holdet undersøgte også starttidspunktet for diamantdannelse ved at kontrollere varigheden af ​​laseropvarmning for adamantan, diamantan og triamantan. De udførte kvalitativ analyse af diamantpartikelstørrelsen ved hjælp af todimensionel røntgeneffektdiffraktion (XRD) for at vise øget diamantkornstørrelse med øget laseropvarmning. Transformationen var karakteriseret ved en gradvis overgang fra en svag og bred diffraktionslinje, der er typisk for en nanometerstørrelse diamant, til at danne smalle og plettede linjer på længere tidspunkter, der er karakteristiske for kornvækst i polykrystallinsk diamant.

Holdet brugte også ad initio molekylær dynamik (AIMD) simuleringer til at understøtte de eksperimentelle resultater og bekræftede diamondoid-til-diamant-transformationsvejen. Den radiale fordelingsfunktion af carbon-carbon-bindingslængden og vinkelfordelingsfunktionen af ​​C-C-C-vinklen ledsagede den strukturelle transformation. Forskerne bemærkede øget tre gange C-C koordination og nedsat to gange koordination - væk fra grafitlignende funktioner. Ved et forhøjet tryk på 40 GPa, 80 procent kulstofatomer viste firedobbelt koordination for at indikere et skift i retning af en diamantlignende struktur. Alle observationer derefter var i overensstemmelse med diamantdannelse.

Park et al. krediterede lighederne mellem lavere diamondoids og bulk diamant for at tydeliggøre den reducerede energibarriere observeret for diamantdannelse sammenlignet med konventionelle kulstofallotroper. AIMD-beregningen viste også, at diamantoider holdt en specifik 'hukommelse' af bulk-diamantstrukturen ved høj P-T. Blandt de lavere undersøgte diamantoider, holdet bemærkede, at triamantan kræver det laveste P-T for diamantdannelse. Selvom både adamantan og diamantan krævede mindst tre specifikt orienterede kulstoframmer for at danne en kubisk diamantstruktur, kun to triamantan-kulstoframmer skal forbindes for at vokse til udvidet kubisk diamant. Tilstedeværelsen af ​​kvaternære carbonatomer og omgivende tertiære carbonatomer i triamantanstrukturen lettede yderligere denne proces.

På denne måde Sulgiye Park og kolleger viste diamantoider som lovende kandidater til diamantsyntese. Værket tilbyder en energisk overlegen vej til at danne diamant i størrelsesordenen mikrosekunder, uden yderligere reagenser, der kan ændre renheden af ​​den resulterende diamant. Resultaterne detaljerede de grundlæggende egenskaber og mekanistiske veje, der påvirker den lette omdannelse af kulbrinte-til-diamant. Arbejdet indikerer en lovende brug af diamantoider til let diamantsyntese og til at undersøge lysemitterende defekter i diamanter til en række tekniske anvendelser på tværs af kvantefysik til biologiske videnskaber. De energi- og tidseffektive prækursorer kan dopes eller funktionaliseres med målrettede defektelementer, så forskere bedre kan forstå og opdage farvecenter (krystaldefekt) indeholdende diamanter.

© 2020 Science X Network