(Phys.org) —Perfecte diamantplaten van een paar atomen dik lijken mogelijk te zijn, zelfs zonder de grote druk die natuurlijke edelstenen maakt.

Wetenschappers hebben erover gespeculeerd en een paar laboratoria hebben zelfs tekenen gezien van wat ze diamane noemen, een extreem dunne film van diamant die alle superieure halfgeleidende en thermische eigenschappen van diamant heeft.

Nu hebben onderzoekers van Rice University en in Rusland een "fasediagram" berekend voor het maken van diamane. Het diagram is een wegenkaart. Het legt de voorwaarden vast - temperatuur, druk en andere factoren - dat zou nodig zijn om gestapelde vellen grafeen in een onberispelijk diamantrooster te veranderen.

In het proces, de onderzoekers bepaalden dat diamane volledig chemisch kan worden gemaakt, zonder enige druk, onder bepaalde omstandigheden.

Het team onder leiding van Rice theoretisch fysicus Boris Yakobson en Pavel Sorokin, een voormalig postdoctoraal medewerker bij Rice en nu een senior onderzoeker bij het Technologisch Instituut voor Superhard en Novel Carbon Materials in Moskou, gerapporteerde resultaten in het tijdschrift American Chemical Society Nano-letters .

"Diamanes hebben een breed potentieel toepassingsgebied, "Zei Sorokin. "Ze kunnen heel dun worden aangebracht, diëlektrische harde films in nanocondensatoren of mechanisch stijf, nanodikke elementen in nano-elektronica. Ook, diamanen hebben potentieel voor toepassing in nano-optica.

"De mogelijkheid om zo'n quasi-tweedimensionaal object te verkrijgen is intrigerend, maar beschikbare experimentele gegevens verhinderen de verwachting van de fabricage ervan met behulp van traditionele methoden. Echter, de 'bottom-up'-benadering voorgesteld door Richard Feynman maakt de fabricage van diamanen van kleinere objecten mogelijk, zoals grafeen."

De onderzoekers bouwden computermodellen om de krachten te simuleren die worden uitgeoefend door elk atoom dat bij het proces betrokken is. Dat omvat het grafeen, de één-atoom-dikke vorm van koolstof en een van de sterkste stoffen in het heelal, evenals de waterstof (of, afwisselend, een halogeen) die de reactie bevordert.

Voorwaarden, ze leerden, moet precies goed zijn om een ​​korte stapel grafeenpannenkoeken via chemie in een diamantmatrix te laten instorten - of omgekeerd.

"Een fasediagram laat zien welke fase de grondtoestand domineert voor elke druk en temperatuur, " zei Yakobson. "In het geval van diamane, het diagram is ongebruikelijk omdat het resultaat ook afhangt van de dikte, het aantal lagen grafeen. We hebben dus een nieuwe parameter."

Waterstof is niet de enige mogelijke katalysator, hij zei, maar het is degene die ze gebruikten in hun berekeningen. "Als de waterstof aanvalt, het neemt één elektron van een koolstofatoom in grafeen. Als resultaat, een binding wordt verbroken en een ander elektron blijft aan de andere kant van de grafeenlaag hangen. Het is nu vrij om met weinig of geen druk verbinding te maken met een koolstofatoom op het aangrenzende vel.

"Als je meerdere lagen hebt, je krijgt een domino-effect, waar waterstof een reactie begint en zich voortplant door het gebonden koolstofsysteem, "zei hij. "Als het er helemaal doorheen ritst, de faseovergang is voltooid en de kristalstructuur is die van diamant."

Yakobson zei dat de krant geen betrekking heeft op een mogelijke dealbreaker. "De conversie van de ene fase naar de andere begint bij een klein zaadje, een nucleatieplaats, en in dit proces is er altijd wat een nucleatiebarrière wordt genoemd. Dat berekenen we hier niet." Hij zei dat koolstof normaal gesproken de voorkeur geeft aan grafiet (de bulkvorm van koolstof die als potlood wordt gebruikt) in plaats van diamant, maar een hoge kiemvormingsbarrière verhindert dat diamant de overgang maakt.

"Thermodynamisch, een bestaande diamant moet grafiet worden, maar het gebeurt niet precies om deze reden, "Zei Yakobson. "Dus soms is het een goede zaak. Maar als we platte diamant willen maken, we moeten manieren vinden om deze barrière te omzeilen."

Hij zei dat de vervaardiging van synthetische diamant, die voor het eerst betrouwbaar werd gemaakt in de jaren vijftig, vereist zeer hoge drukken van ongeveer 725, 000 pond per vierkante inch. Vervaardigde diamanten worden gebruikt in gehard gereedschap voor het snijden, als schuurmiddelen en zelfs als hoogwaardige edelstenen die zijn gekweekt via technieken die de temperaturen en drukken die diep in de aarde worden aangetroffen, simuleren, waar natuurlijke diamant wordt gesmeed.

Diamantfilms worden ook routinematig gemaakt via chemische dampafzetting, "maar ze zijn altijd van zeer slechte kwaliteit omdat ze polykristallijn zijn, " zei Yakobson. "Voor mechanische doeleinden, zoals heel duur schuurpapier, ze zijn perfect. Maar voor elektronica je zou een hoge kwaliteit nodig hebben om te dienen als een halfgeleider met een brede bandafstand."