Natuurlijke diamant wordt diep onder de grond gesmeed door enorme druk en temperaturen. Maar synthetische diamant kan worden gekweekt door kiemvorming, waar kleine stukjes diamant de groei van grotere diamantkristallen "zaaien". Hetzelfde gebeurt in wolken, waar deeltjes de groei van ijskristallen zaaien die vervolgens smelten tot regendruppels.

Wetenschappers hebben nu voor het eerst waargenomen hoe diamanten op atomair niveau uit zaad groeien, en ontdekte hoe groot de zaden moeten zijn om het kristalgroeiproces op gang te brengen.

De resultaten, deze week gepubliceerd in Proceedings van de National Academy of Sciences , licht werpen op hoe kiemvorming niet alleen in diamanten verloopt, maar in de atmosfeer in siliciumkristallen die worden gebruikt voor computerchips en zelfs in eiwitten die samenklonteren bij neurologische aandoeningen.

"Nucleatiegroei is een kernprincipe van materiaalwetenschap, en er is een theorie en een formule die beschrijft hoe dit gebeurt in elk leerboek, " zegt Nicholas Melosh, een professor aan de Stanford University en het SLAC National Accelerator Laboratory van het Department of Energy die het onderzoek leidde. "Zo beschrijven we het gaan van de ene materiële fase naar de andere, bijvoorbeeld van vloeibaar water naar ijs."

Maar interessant, hij zegt, "ondanks het wijdverbreide gebruik van dit proces overal, de theorie erachter was nooit experimenteel getest, omdat het buitengewoon moeilijk is om te observeren hoe kristalgroei begint met zaden op atomaire schaal."

De kleinst mogelijke vlekjes

In feite, wetenschappers weten al lang dat de huidige theorie vaak overschat hoeveel energie het kost om het kiemvormingsproces op gang te brengen, en met nogal wat. Ze hebben mogelijke manieren bedacht om de theorie met de werkelijkheid te verzoenen, maar tot nu toe zijn die ideeën alleen op relatief grote schaal getest, bijvoorbeeld met eiwitmoleculen, in plaats van op atomaire schaal waar nucleatie begint.

Om te zien hoe het werkt op de kleinste schaal, Melosh en zijn team wendden zich tot diamantoïden, de kleinst mogelijke stukjes diamant. De kleinste bevatten slechts 10 koolstofatomen. Deze vlekken vormen de focus van een door DOE gefinancierd programma bij SLAC en Stanford, waar natuurlijk voorkomende diamandoïden worden geïsoleerd uit aardolievloeistoffen, gesorteerd op grootte en vorm en bestudeerd. Recente experimenten suggereren dat ze kunnen worden gebruikt als Lego-achtige blokken voor het samenstellen van nanodraden of "moleculaire aambeelden" om chemische reacties op gang te brengen, onder andere.

De laatste ronde van experimenten werd geleid door Stanford postdoctoraal onderzoeker Matthew Gebbie. Hij is geïnteresseerd in de chemie van interfaces - plaatsen waar de ene fase van materie een andere ontmoet, bijvoorbeeld de grens tussen lucht en water. Het blijkt dat interfaces ongelooflijk belangrijk zijn bij het kweken van diamanten met een proces genaamd CVD, of chemische dampafzetting, dat wordt veel gebruikt om synthetische diamant te maken voor de industrie en sieraden.

"Waar ik enthousiast over ben, is begrijpen hoe grootte, vorm en moleculaire structuur de eigenschappen van materialen beïnvloeden die belangrijk zijn voor opkomende technologieën, ", zegt Gebbie. "Dat omvat diamanten op nanoschaal voor gebruik in sensoren en in kwantumcomputers. We moeten ze betrouwbaar en met een constante hoge kwaliteit maken."

Diamant of potloodstift?

Diamant laten groeien in het lab met CVD, kleine stukjes gebroken diamant worden op een oppervlak gezaaid en blootgesteld aan een plasma - een gaswolk die tot zulke hoge temperaturen wordt verwarmd dat elektronen van hun atomen worden verwijderd. Het plasma bevat waterstof en koolstof, de twee elementen die nodig zijn om een ​​diamant te vormen.

Dit plasma kan de zaden oplossen of laten groeien, Gebbie zegt, en de concurrentie tussen de twee bepaalt of er grotere kristallen worden gevormd. Omdat er veel manieren zijn om koolstofatomen in een vaste stof te verpakken, het moet allemaal onder de juiste omstandigheden gebeuren; anders krijg je grafiet, algemeen bekend als potloodlood, in plaats van de sprankelende dingen waar je naar op zoek was.

Diamondoid-zaden geven wetenschappers een veel fijner niveau van controle over dit proces. Hoewel ze te klein zijn om direct te zien, zelfs met de krachtigste microscopen, ze kunnen nauwkeurig worden gesorteerd op het aantal koolstofatomen dat ze bevatten en vervolgens chemisch aan het oppervlak van een siliciumwafel worden bevestigd, zodat ze op hun plaats worden vastgezet terwijl ze worden blootgesteld aan plasma. De kristallen die rond de zaden groeien, worden uiteindelijk groot genoeg om onder een microscoop te tellen, en dat is wat de onderzoekers deden.

Het magische getal is 26

Hoewel diamantoïden eerder waren gebruikt om de groei van diamanten te zaaien, dit waren de eerste experimenten om de effecten van het gebruik van zaden van verschillende groottes te testen. Het team ontdekte dat kristalgroei echt van de grond kwam met zaden die minstens 26 koolstofatomen bevatten.

Nog belangrijker, Gebbie zegt, ze waren in staat om direct de energiebarrière te meten die diamandoïdedeeltjes moeten overwinnen om tot kristallen te groeien.

"Men dacht dat deze barrière als een gigantische berg moest zijn die de koolstofatomen niet zouden kunnen oversteken - en, in feite, al tientallen jaren is er een open vraag waarom we überhaupt diamanten zouden kunnen maken, " zegt hij. "Wat we vonden was meer een milde heuvel."

Gebbie voegt toe, "Dit is echt fundamenteel onderzoek, maar aan het eind van de dag waar we echt enthousiast over zijn en waar we naar streven, is een voorspelbare en betrouwbare manier om diamanten nanomaterialen te maken. Nu we de onderliggende wetenschappelijke kennis hebben ontwikkeld die daarvoor nodig is, we gaan op zoek naar manieren om deze diamanten nanomaterialen praktisch te gebruiken."