Het klinkt als alchemie:neem een ​​klomp wit stof, knijp het in een met diamanten bezaaide drukkamer, schiet het dan op met een laser. Open de kamer en vind binnenin een nieuw microscopisch klein stukje pure diamant.

Een nieuwe studie van Stanford University en SLAC National Accelerator Laboratory onthult hoe, met zorgvuldige afstemming van warmte en druk, dat recept kan diamanten produceren van een soort waterstof- en koolstofmolecuul dat voorkomt in ruwe olie en aardgas.

"Het opwindende aan dit artikel is dat het een manier laat zien om de thermodynamica te bedriegen van wat typisch nodig is voor diamantvorming, " zei Stanford-geoloog Rodney Ewing, een co-auteur op het papier, gepubliceerd op 21 februari in het tijdschrift wetenschappelijke vooruitgang .

Wetenschappers hebben al meer dan 60 jaar diamanten uit andere materialen gesynthetiseerd, maar de transformatie vereist typisch buitensporige hoeveelheden energie, tijd of de toevoeging van een katalysator - vaak een metaal - die de kwaliteit van het eindproduct vermindert. "We wilden gewoon een schoon systeem zien, waarin een enkele stof verandert in pure diamant - zonder katalysator, " zei de hoofdauteur van de studie, Sulgiye-park, een postdoctoraal onderzoeker aan Stanford's School of Earth, Energie- en milieuwetenschappen (Stanford Earth).

Het begrijpen van de mechanismen voor deze transformatie zal belangrijk zijn voor toepassingen buiten sieraden. De fysieke eigenschappen van diamant:extreme hardheid, optische transparantie, chemische stabiliteit, hoge thermische geleidbaarheid - maak het een waardevol materiaal voor medicijnen, industrie, quantum computing-technologieën en biologische detectie.

"Als je zelfs maar kleine hoeveelheden van deze pure diamant kunt maken, dan kun je het op gecontroleerde manieren dopen voor specifieke toepassingen, " zei senior auteur Yu Lin, een stafwetenschapper in het Stanford Institute for Materials and Energy Sciences (SIMES) bij SLAC National Accelerator Laboratory.

Een natuurlijk recept

Natuurlijke diamanten kristalliseren uit koolstof honderden kilometers onder het aardoppervlak, waar de temperaturen duizenden graden Fahrenheit bereiken. De meeste natuurlijke diamanten die tot nu toe zijn opgegraven, zijn miljoenen jaren geleden tijdens vulkaanuitbarstingen omhooggeschoten. oude mineralen uit het diepe binnenste van de aarde met zich meedragen.

Als resultaat, diamanten kunnen inzicht geven in de omstandigheden en materialen die in het binnenste van de planeet bestaan. "Diamanten zijn vaten voor het terugbrengen van monsters uit de diepste delen van de aarde, " zei Stanford-mineraalfysicus Wendy Mao, die het laboratorium leidt waar Park de meeste experimenten van het onderzoek heeft uitgevoerd.

Om diamanten te synthetiseren, het onderzoeksteam begon met drie soorten poeder geraffineerd uit tankers vol aardolie. "Het is een klein bedrag, " zei Mao. "We gebruiken een naald om een ​​klein beetje op te rapen om het onder een microscoop te krijgen voor onze experimenten."

In een oogopslag, de geurloze, licht kleverige poeders lijken op steenzout. Maar een getraind oog dat door een krachtige microscoop tuurt, kan atomen onderscheiden die in hetzelfde ruimtelijke patroon zijn gerangschikt als de atomen waaruit diamantkristal bestaat. Het is alsof het ingewikkelde rooster van diamant is opgedeeld in kleinere eenheden bestaande uit één, twee of drie kooien.

In tegenstelling tot diamant, dat is pure koolstof, de poeders - bekend als diamandoïden - bevatten ook waterstof. "Vanaf deze bouwstenen, " zei Mao, "u kunt sneller en gemakkelijker diamant maken, en u kunt ook meer te weten komen over het proces in een meer complete, doordachte manier dan wanneer je gewoon de hoge druk en hoge temperatuur nabootst in het deel van de aarde waar diamant zich van nature vormt."

Diamantoïden onder druk

De onderzoekers laadden de diamantvormige monsters in een drukkamer ter grootte van een pruim, een diamanten aambeeldcel, die het poeder tussen twee geslepen diamanten drukt. Met slechts een simpele draai aan een schroef, het apparaat kan het soort druk creëren dat je in het centrum van de aarde zou kunnen vinden.

Volgende, ze verhitten de monsters met een laser, onderzocht de resultaten met een reeks tests, en maakte computermodellen om uit te leggen hoe de transformatie was verlopen. "Een fundamentele vraag die we probeerden te beantwoorden, is of de structuur of het aantal kooien van invloed is op hoe diamantoïden in diamant veranderen, ' zei Lin. Ze ontdekten dat de diamandoïde met drie kooien, genaamd triamantaan, kan zichzelf met verrassend weinig energie tot diamant reorganiseren.

Bij 900 Kelvin - wat ongeveer 1160 graden Fahrenheit is, of de temperatuur van gloeiend hete lava - en 20 gigapascal, een druk die honderdduizenden keren groter is dan de atmosfeer van de aarde, De koolstofatomen van triamantaan worden uitgelijnd en de waterstof verstrooit of valt weg.

De transformatie voltrekt zich in de kleinste fracties van een seconde. Het is ook direct:de atomen gaan niet door een andere vorm van koolstof, zoals grafiet, op weg naar het maken van diamant.

De minuscule steekproefomvang in een diamanten aambeeldcel maakt deze benadering onpraktisch voor het synthetiseren van veel meer dan de stukjes diamant die het Stanford-team in het laboratorium produceerde. zei Mao. "Maar nu weten we iets meer over de sleutels tot het maken van pure diamanten."