(Phys.org) —Afbeeldingen gemaakt door wetenschappers van Rice University laten zien dat sommige diamanten niet voor altijd zijn. De Rice-onderzoekers achter een nieuwe studie die de creatie van nanodiamanten in behandelde steenkool verklaart, laten ook zien dat sommige microscopisch kleine diamanten slechts enkele seconden duren voordat ze weer vervagen in minder gestructureerde vormen van koolstof onder de impact van een elektronenstraal.

Het onderzoek van Rice-chemicus Ed Billups en zijn collega's verschijnt in het tijdschrift van de American Chemical Society Journal of Physical Chemistry Letters .

Billups en Yanqiu Sun, een voormalig postdoctoraal onderzoeker in zijn lab, was getuige van het interessante effect tijdens het werken aan manieren om koolstof uit antracietkool chemisch te verminderen en oplosbaar te maken. Eerst merkten ze nanodiamanten op te midden van de amorfe, met waterstof doordrenkte lagen grafiet.

Het gebeurde, ze kwamen erachter, toen ze close-ups van de steenkool maakten met een elektronenmicroscoop, die een elektronenstraal op het interessante punt afvuurt. Onverwacht, de energie-input gestold clusters van gehydrogeneerde koolstofatomen, waarvan sommige de roosterachtige structuur van nanodiamanten aannamen.

"De straal is zeer krachtig, " zei Billups. "Om waterstofatomen van iets af te kloppen, kost een enorme hoeveelheid energie."

Zelfs zonder het soort druk dat nodig is om diamanten op macroschaal te maken, de energie sloeg waterstofatomen los en veroorzaakte een kettingreactie tussen lagen grafiet in de steenkool die resulteerde in diamanten tussen 2 en 10 nanometer breed.

Maar de meeste "nano" van de nanodiamanten bleken te vervagen onder de kracht van de elektronenstraal in een opeenvolging van beelden die meer dan 30 seconden duurden.

"De kleine diamanten zijn niet stabiel en keren terug naar het uitgangsmateriaal, het antraciet, ' zei Billup.

Billups wendde zich tot Rice theoretisch fysicus Boris Yakobson en zijn collega's van het Technologisch Instituut voor Superhard en Nieuwe Koolstofmaterialen in Moskou om uit te leggen wat de chemici zagen. Yakobson, Pavel Sorokin en Alexander Kvashnin hadden al een grafiek bedacht - een fasediagram genaamd - die aantoonde hoe dunne diamantfilms gemaakt konden worden zonder enorme druk.

Ze gebruikten vergelijkbare berekeningen om te laten zien hoe nanodiamanten zich konden vormen in behandelde antraciet en subbitumineuze steenkool. In dit geval, de bundel van de elektronenmicroscoop slaat waterstofatomen los van koolstoflagen. Dan compenseren de bungelende bindingen door verbinding te maken met een aangrenzende koolstoflaag, die wordt gevraagd om verbinding te maken met de volgende laag. De reactie ritst de atomen in een matrix die kenmerkend is voor diamant totdat de druk het proces dwingt te stoppen.

natuurlijk, diamanten op macroschaal vereisen extreme drukken en temperaturen om zich te vormen, maar het fasediagram moet worden heroverwogen voor nanodiamanten, aldus de onderzoekers.

"Er is een venster van stabiliteit voor diamanten binnen het bereik van 19-52 angstrom (tiende van een nanometer), waarboven grafiet stabieler is, " Billups zei. Stabiele nanodiamanten tot 20 nanometer groot kunnen worden gevormd in gehydrogeneerd antraciet, ze vonden, hoewel de kleinste nanodiamanten onstabiel waren onder voortdurende elektronenstraalstraling.

Billups merkte op dat daaropvolgende elektronenstraalexperimenten met ongerept antraciet geen diamanten vormden, terwijl tests met minder robuuste infusies van waterstof leidden tot gebieden met "ui-achtige randen" van grafietkool, maar geen volledig gevormde diamanten. Beide experimenten ondersteunden de behoefte aan voldoende waterstof om nanodiamanten te vormen.

Kvashnin is een voormalig gaststudent aan Rice en een afgestudeerde student aan het Moscow Institute of Physics and Technology (MIPT). Sorokin heeft benoemingen bij MIPT en de National University of Science and Technology, Moskou. Yakobson is Rice's Karl F. Hasselmann hoogleraar werktuigbouwkunde en materiaalkunde, een professor in de chemie en lid van het Richard E. Smalley Institute for Nanoscale Science and Technology. Billups is hoogleraar scheikunde aan Rice.