Natuurkundigen van de Universiteit van Alabama in Birmingham hebben de eerste stap gezet in een vijf jaar durende poging om nieuwe verbindingen te maken die diamanten overtreffen in hittebestendigheid en ze bijna evenaren in hardheid.

Ze worden ondersteund door een vijfjarige National Science Foundation-prijs van $ 20 miljoen om nieuwe materialen te creëren en technologieën te verbeteren met behulp van de vierde toestand van materie:plasma.

Plasma - in tegenstelling tot de andere drie toestanden van materie, stevig, vloeistof en gas - komt van nature niet voor op aarde. Deze geïoniseerde gasvormige stof kan worden gemaakt door neutrale gassen te verhitten. In het labortorium, Yogesh Vohra, een professor en universitair wetenschapper in de UAB-afdeling Natuurkunde, gebruikt plasma om dunne diamantfilm te creëren. Dergelijke films hebben veel potentiële toepassingen, zoals coatings om kunstgewrichten duurzaam te maken of de scherpte van snijgereedschappen te behouden, sensoren ontwikkelen voor extreme omgevingen of nieuwe superharde materialen maken.

Om een ​​diamantfilm te maken, Vohra en collega's stromen een mengsel van gassen in een vacuümkamer, verhitten met microgolven om plasma te creëren. De lage druk in de kamer is gelijk aan de atmosfeer 14 mijl boven het aardoppervlak. Na vier uur, de damp heeft een dunne diamantfilm op zijn doelwit afgezet.

In een paper in het journaal Materialen , Vohra en collega's van het UAB College of Arts and Sciences onderzochten hoe de toevoeging van boor, tijdens het maken van een diamantfilm, veranderde eigenschappen van het diamantmateriaal.

Dat was al bekend, als de gassen een mengsel zijn van methaan en waterstof, de onderzoekers krijgen een microkristallijne diamantfilm die bestaat uit vele kleine diamantkristallen die gemiddeld zo'n 800 nanometer groot zijn. Als aan dat gasmengsel stikstof wordt toegevoegd, de onderzoekers krijgen nanogestructureerde diamant, samengesteld uit extreem kleine diamantkristallen van gemiddeld slechts 60 nanometer groot.

In de huidige studie, het Vohra-team heeft boor toegevoegd, in de vorm van diboraan, of B2H6, aan het waterstof/methaan/stikstof voedingsgas en vond verrassende resultaten. De korrelgrootte in de diamantfilm nam abrupt toe vanaf de 60 nanometer, nanogestructureerde grootte gezien met het waterstof/methaan/stikstof voedingsgas tot een 800 nanometer, microkristallijne grootte. Verder, deze verandering vond plaats met slechts minieme hoeveelheden diboraan, slechts 170 delen per miljoen in het plasma.

Met behulp van optische emissiespectroscopie en het variëren van de hoeveelheden diboraan in het voedingsgas, De groep van Vohra ontdekte dat het diboraan de hoeveelheid koolstof-stikstofradicalen in het plasma vermindert. Dus, Vohra zei, "onze studie heeft duidelijk de rol geïdentificeerd van koolstof-stikstofsoorten in de synthese van nanogestructureerde diamant en onderdrukking van koolstof-stikstofsoorten door toevoeging van boor aan het plasma."

Omdat de toevoeging van boor ook de diamantfilm kan veranderen van een niet-geleider in een halfgeleider, de UAB-resultaten bieden een nieuwe controle over zowel de korrelgrootte van de diamantfilm als de elektrische eigenschappen voor verschillende toepassingen.

In de komende jaren, Vohra en collega's zullen het gebruik van het chemische dampafzettingsproces in microgolfplasma onderzoeken om dunne films van boorcarbiden te maken, boornitriden en koolstof-boor-stikstofverbindingen, op zoek naar verbindingen die hitte beter overleven dan diamanten en ook een diamantachtige hardheid hebben. In aanwezigheid van zuurstof, diamanten beginnen te branden bij ongeveer 1, 100 graden Fahrenheit.