ในช่วงแรกนักวิทยาศาสตร์สามารถวัดได้ว่าเพชรสังเคราะห์มีการเจริญเติบโตอย่างไร

Anonim

เพชรธรรมชาติถูกสร้างขึ้นด้วยแรงกดดันและอุณหภูมิที่ลึกลงไปใต้ดิน แต่เพชรสังเคราะห์สามารถเจริญเติบโตได้โดยการสร้างนิวเคลียสซึ่งส่วนเล็ก ๆ ของเพชร "เมล็ด" จะมีการเติบโตของผลึกเพชรขนาดใหญ่ สิ่งเดียวที่เกิดขึ้นในเมฆที่อนุภาคเมล็ดพันธุ์การเจริญเติบโตของผลึกน้ำแข็งที่แล้วละลายลงในน้ำฝน

นักวิทยาศาสตร์ได้สังเกตเห็นเป็นครั้งแรกว่าเพชรเติบโตจากเมล็ดในระดับอะตอมและค้นพบว่าเมล็ดพันธุ์ใหญ่ต้องการที่จะทำให้กระบวนการปลูกคริสตัลเติบโตขึ้นอย่างไร

ผลที่ได้รับการเผยแพร่ในสัปดาห์นี้ใน รายงานของ National Academy of Sciences ได้ชี้ให้เห็นว่านิวเคลียสดำเนินไปได้อย่างไรในเพชร แต่ในชั้นบรรยากาศในผลึกซิลิคอนที่ใช้สำหรับชิปคอมพิวเตอร์และแม้แต่ในโปรตีนที่รวมกันเป็นโรคทางระบบประสาท

"การเติบโตของนิวเคลียสเป็นหลักสำคัญของวิทยาศาสตร์วัสดุและมีทฤษฎีและสูตรที่อธิบายถึงสิ่งที่เกิดขึ้นในตำราเรียนทุกเล่ม" นิโคลาสเมลอชศาสตราจารย์แห่งมหาวิทยาลัยสแตนฟอร์ดและห้องทดลองเร่งปฏิกิริยาแห่งชาติ SLAC ของ Department of Energy ซึ่งเป็นผู้นำการวิจัยกล่าว. "นี่เป็นวิธีการที่เราอธิบายว่าไปจากช่วงวัสดุหนึ่งไปยังอีกฟากหนึ่งเช่นจากน้ำเหลวไปจนถึงน้ำแข็ง"

ทฤษฎีที่อยู่เบื้องหลังมันไม่เคยผ่านการทดสอบมาก่อนเพราะการสังเกตว่าการเจริญเติบโตของคริสตัลเริ่มต้นจากเมล็ดในระดับอะตอมเป็นเรื่องที่ยากมาก "

จุดที่เล็กที่สุดเท่าที่เป็นไปได้

ในความเป็นจริงนักวิทยาศาสตร์ได้รู้จักกันมานานแล้วว่าทฤษฎีในปัจจุบันมักจะประเมินค่าพลังงานเท่าใดที่จะทำให้กระบวนการสังเคราะห์นิวเคลียสมีค่ามากและไม่น้อย พวกเขาได้ค้นพบวิธีที่จะทำให้ทฤษฎีนี้สมจริงกับความเป็นจริง แต่จนถึงขณะนี้แนวคิดเหล่านี้ได้รับการทดสอบในระดับที่ค่อนข้างใหญ่เช่นกับโมเลกุลของโปรตีนมากกว่าที่ระดับอะตอมที่เริ่ม nucleation

เพื่อดูว่ามันทำงานอย่างไรในระดับที่เล็กที่สุด Melosh และทีมงานของเขาหันไปหา Diamondoids ซึ่งเป็นเพชรที่เป็นไปได้มากที่สุด ที่เล็กที่สุดมีอะตอมของคาร์บอนเพียง 10 อะตอม จุดด่างเหล่านี้เป็นจุดเน้นของโครงการ DOE ที่ SLAC และ Stanford ซึ่งเป็นแหล่งแร่เพชรที่เกิดขึ้นตามธรรมชาติซึ่งแยกจากของเหลวปิโตรเลียมตามขนาดและรูปร่างและศึกษา การทดลองเมื่อเร็ว ๆ นี้ชี้ให้เห็นว่าพวกเขาสามารถนำมาใช้เป็นบล็อกแบบเลโก้สำหรับการรวบรวมสายนาโนหรือ "โมเลกุลทั่ง" เพื่อเรียกปฏิกิริยาทางเคมีเหนือสิ่งอื่นใด

รอบล่าสุดของการทดลองนำโดยนักวิจัยจาก Stanford Matthew Gebbie เขาสนใจในวิชาเคมีของอินเทอร์เฟซ - สถานที่ที่ระยะหนึ่งของเรื่องเกิดขึ้นกับอีกส่วนหนึ่งเช่นเขตแดนระหว่างอากาศกับน้ำ ปรากฎว่าอินเทอร์เฟซมีความสำคัญอย่างมากกับการเจริญเติบโตของเพชรด้วยกระบวนการที่เรียกว่า CVD หรือการสะสมไอเคมีซึ่งใช้กันอย่างกว้างขวางเพื่อทำเพชรสังเคราะห์สำหรับอุตสาหกรรมและเครื่องประดับ

Gebbie กล่าวว่าสิ่งที่ฉันตื่นเต้นคือการทำความเข้าใจว่าขนาดและรูปร่างและโครงสร้างโมเลกุลมีอิทธิพลต่อคุณสมบัติของวัสดุที่มีความสำคัญต่อเทคโนโลยีใหม่ ๆ อย่างไร "นั่นรวมถึงเพชรขนาดนาโนเพื่อใช้ในเซ็นเซอร์และในการคำนวณด้วยควอนตัมเราจำเป็นต้องทำให้พวกเขาเชื่อถือได้และมีคุณภาพสูงอย่างสม่ำเสมอ"

นำเพชรหรือดินสอ

การพัฒนาเพชรในห้องปฏิบัติการที่มีซีวีดีดีชิ้นเล็ก ๆ ของเพชรบดจะถูกเพาะลงบนพื้นผิวและสัมผัสกับพลาสม่าซึ่งเป็นก๊าซที่มีอุณหภูมิสูงที่ทำให้อิเล็กตรอนถูกปล้นออกจากอะตอม พลาสม่ามีไฮโดรเจนและคาร์บอนทั้งสององค์ประกอบที่จำเป็นในการสร้างเพชร

พลาสมานี้สามารถละลายเมล็ดหรือทำให้มันโต Gebbie กล่าวและการแข่งขันระหว่างทั้งสองจะกำหนดว่าผลึกที่ใหญ่ขึ้นหรือไม่ เนื่องจากมีหลายวิธีในการบรรจุอะตอมของคาร์บอนลงไปในของแข็งจึงต้องทำภายใต้สภาวะที่เหมาะสม มิฉะนั้นคุณจะจบลงด้วยแกรไฟต์หรือที่รู้จักกันทั่วไปว่าเป็นดินสอแทนดินสอแทนที่จะเป็นของที่คุณขี้เกียจ

เมล็ด Diamondoid ช่วยให้นักวิทยาศาสตร์สามารถควบคุมกระบวนการนี้ได้มากขึ้น แม้ว่าจะมีขนาดเล็กเกินไปที่จะมองเห็นได้โดยตรงแม้ว่าจะใช้กล้องจุลทรรศน์ที่มีประสิทธิภาพมากที่สุด แต่ก็สามารถจัดเรียงได้อย่างแม่นยำตามจำนวนอะตอมของคาร์บอนที่มีอยู่และติดอยู่กับพื้นผิวของแผ่นเวเฟอร์ซิลิกอนเพื่อยึดตรึงไว้ในขณะที่ การสัมผัสกับพลาสมา ผลึกที่งอกขึ้นรอบ ๆ เมล็ดในที่สุดก็ใหญ่พอที่จะนับไว้ใต้กล้องจุลทรรศน์ได้และนั่นคือสิ่งที่นักวิจัยทำ

จำนวนมายากลคือ 26

แม้ว่า diamondoids ได้ถูกนำมาใช้เพื่อการเจริญเติบโตของเพชรก่อนการทดลองเหล่านี้เป็นครั้งแรกในการทดสอบผลของการใช้เมล็ดขนาดต่างๆ ทีมค้นพบว่าการเจริญเติบโตของผลึกนั้นได้ผลดีกับเมล็ดที่มีอะตอมของคาร์บอนอย่างน้อย 26 อะตอม

สิ่งสำคัญยิ่งกว่านั้นคือ Gebbie กล่าวว่าพวกเขาสามารถวัดอุปสรรคด้านพลังงานได้โดยตรงว่าอนุภาคของ diamondoid ต้องเอาชนะเพื่อที่จะเติบโตเป็นคริสตัล

"คิดว่าอุปสรรคนี้ต้องเป็นภูเขาขนาดใหญ่ที่อะตอมของคาร์บอนไม่ควรสามารถข้ามไปได้และในความเป็นจริงมานานหลายทศวรรษแล้วคำถามของคำถามที่ว่าทำไมเราสามารถทำเพชรได้ในตอนแรก" เขากล่าว กล่าวว่า "สิ่งที่เราพบก็เหมือนเนินเขาที่อ่อนนุ่ม"

Gebbie กล่าวว่า "นี่เป็นการวิจัยขั้นพื้นฐานจริงๆ แต่ในตอนท้ายของวันนี้สิ่งที่เรารู้สึกตื่นเต้นและขับรถเป็นวิธีที่คาดเดาได้และเชื่อถือได้ในการทำ nanomaterials เพชรตอนนี้เราได้พัฒนาความรู้ทางวิทยาศาสตร์พื้นฐานที่จำเป็นแล้ว การทำเช่นนั้นเราจะมองหาวิธีที่จะนำสิ่งเหล่านี้ไปใช้ในทางปฏิบัติ "

menu
menu