Вместо того, чтобы использовать тонны дробящей силы и вулканического тепла для ковки алмазов, исследователи из Университета Кейс Вестерн Резерв разработали способ дешевого производства наноалмазов на лабораторном столе при атмосферном давлении и температуре, близкой к комнатной.
Наноалмазы образуются непосредственно из газа и не требуют поверхности для роста.
Открытие обещает множество применений в технологиях и промышленности, таких как покрытие пластмасс ультрадисперсным алмазным порошком и создание гибкой электроники, имплантатов, устройств для доставки лекарств и других продуктов, использующих исключительные свойства алмаза.
Их исследование опубликовано сегодня в научном журнале Nature Communications. Находки основаны на традициях исследований алмазов в Case Western Reserve.
Помимо своих приложений, это открытие может дать некоторое представление о нашей Вселенной: объяснение того, как могут образовываться наноалмазы, наблюдаемые в космосе и обнаруженные в метеоритах.
«Это не сложный процесс: пары этанола при комнатной температуре и давлении превращаются в алмазы», - сказал Мохан Санкаран, доцент химического машиностроения в Case Western Reserve и руководитель проекта. «Мы пропускаем газ через плазму, добавляем водород и получаем алмазные наночастицы. Мы можем соединить это и получить практически в любой лаборатории».
Процесс изготовления этих маленьких «вечных камней» не плавит пластик, поэтому он хорошо подходит для определенных высокотехнологичных применений. Алмаз, известный своей твердостью, обладает превосходными оптическими свойствами и самой высокой скоростью звука и теплопроводностью среди всех материалов.
В отличие от другой формы углерода, графита, алмаз является полупроводником, подобным кремнию, который является основным материалом в электронной промышленности, и арсениду галлия, который используется в лазерах и других оптических устройствах.
Хотя процесс и прост, поиск правильных концентраций и потоков - то, что исследователи называют «золотой серединой» - занял время.
Другими исследователями, участвовавшими в исследовании, были постдокторант Аджай Кумар, аспирант Пин Энн Лин и студент бакалавриата Альберт Сюэ из Case Western Reserve; и профессор физики Йоке Кхин Яп и аспирант Бойи Хао из Мичиганского технического университета.
Санкаран и Джон Ангус, почетный профессор химического машиностроения, около восьми лет назад выдвинули идею выращивания наноалмазов без тепла и давления. Исследования Ангуса в 1960-х и 1970-х годах привели его и других к разработке способа выращивания алмазных пленок при низком давлении и высокой температуре, процесса, известного как химическое осаждение из паровой фазы, который сейчас используется для нанесения покрытий на компьютерные диски и бритвенные лезвия. Тем временем Шанкарана специализируется на создании наночастиц с использованием крутых микроплазм.
Обычно требуется высокое давление и высокая температура для превращения графита в алмаз или сочетание газообразного водорода и нагретой подложки для выращивания алмаза, а не графита.
«Но в наномасштабе поверхностная энергия делает алмаз более стабильным, чем графит», - объяснил Шанкаран. «Мы думали, что если бы мы могли зародышеобразовать углеродные кластеры в газовой фазе размером менее 5 нанометров, они были бы алмазными, а не графитовыми, даже при нормальном давлении и температуре».
После нескольких взлетов и падений процесс пошел на лад, когда Кумар присоединился к лаборатории Шанкарана. Инженеры производили алмаз так же, как сажу.
Сначала они создают плазму, которая представляет собой состояние вещества, похожее на газ, но часть которого становится заряженной или ионизированной. Искра - пример плазмы, но она горячая и неконтролируемая.
Чтобы добиться более низких и безопасных температур, они ионизировали газообразный аргон, который выкачивался из трубки диаметром в волос, создавая микроплазму. Они прокачивали этанол - источник углерода - через микроплазму, где, подобно сжиганию топлива, углерод отделяется от других молекул в газе и дает частицы размером от 2 до 3 нанометров, достаточно маленькие, чтобы превратиться в алмаз.
Менее чем за микросекунду они добавляют водород. Элемент удаляет углерод, который не превратился в алмаз, одновременно стабилизируя поверхность алмазных частиц.
Образующийся алмаз представляет собой не большие идеальные кристаллы, используемые для изготовления украшений, а порошок алмазных частиц. Санкаран и Кумар в настоящее время постоянно производят высококачественные алмазы, средний диаметр которых составляет 2 нанометра.
Исследователи потратили около года на испытания, чтобы убедиться, что они производят алмазы и что этот процесс можно воспроизвести, сказал Кумар. Команда сама провела различные тесты и привлекла лабораторию Япа для анализа наночастиц с помощью рамановской спектроскопии.
В настоящее время наноалмазы производятся путем детонации взрывчатого вещества в корпусе реактора для обеспечения тепла и давления. Затем алмазные частицы должны быть удалены и очищены от скопившихся вокруг них загрязняющих элементов. Этот процесс быстрый и дешевый, но наноалмазы агрегируются и бывают разного размера и чистоты.
Новое исследование предлагает многообещающие результаты. Наноалмазы, например, тестируются для доставки лекарств к опухолям. Поскольку алмаз не распознается иммунной системой как захватчик, он не вызывает резистентности, что является основной причиной неудачи химиотерапии.
Санкаран сказал, что его наноалмазы могут стать альтернативой алмазам, полученным методами детонации, поскольку они чище и меньше.
Процесс группы производит три вида алмазов: около половины имеют кубическую форму, ту же структуру, что и драгоценные алмазы, небольшой процент представляет собой форму, предположительно содержащую внутри водород, и около половины представляет собой лонсдейлит, шестиугольную форму, обнаруженную в межзвездных пыль, но редко встречается на Земле.
Недавняя статья в журнале Physical Review Letters предполагает, что при столкновении межзвездной пыли возникает такое высокое давление, что графитовый углерод превращается в наноалмазы лондсдейлита.
Санкаран и Кумар утверждают, что следует также рассмотреть альтернативу, не требующую высокого давления, такую как их метод.
«Возможно, мы делаем алмаз так же, как алмаз иногда делают в космосе», - предположил Шанкаран. «Этанол и плазма существуют в космосе, а наши наноалмазы по размеру и структуре аналогичны найденным в космосе».
В настоящее время группа исследует, может ли она точно настроить процесс, чтобы контролировать, какая форма алмаза производится, анализируя структуры и определяя, имеют ли каждый из них разные свойства. Например, лонсдейлит тверже кубического алмаза.
Исследователи создали наноалмазную аэрозольную краску. «Мы можем сделать это за одну стадию, распыляя наноалмазы по мере того, как они производятся из плазмы и очищаются водородом, для покрытия поверхности», - сказал Кумар..
И они работают над масштабированием процесса для промышленного использования.
«Смогут ли они масштабироваться? Это всегда дерьмовая съемка», - сказал Ангус. «Но я думаю, что это можно сделать, причем по очень высокой цене и дешево. В конечном счете, это может занять несколько лет, но нет теоретических причин, по которым это невозможно».
Если масштабируемый процесс будет таким же простым и дешевым, как лабораторный процесс, промышленность найдет много применений для продукта, сказал Санкаран.