Химики из Южной Кореи и Китая разработали методику получения искусственных алмазов при атмосферном давлении и температуре около 1200 градусов Цельсия. Для синтеза ученые нагревали сплав из галлия, железа, никеля и кремния в графитовых тиглях в атмосфере метана и водорода. На границе раздела фаз графит-сплав образовывались поликристаллические алмазные пленки, пишут химики в Nature.

Алмаз — одна из аллотропных модификаций углерода — построен из кристаллов кубической сингонии, в структуре которых каждый атом углерода расположен в вершине тетраэдра, образованного соседними четырьмя атомами углерода. За счет своей плотной структуры и прочных связей углерод-углерод алмаз обладает рекордной среди минералов твердостью и износостойкостью.

Природные алмазы образуются в мантии Земли в металлических расплавах при давлении около пяти гигапаскалей и температуре в 900–1400 градусов Цельсия. А получать алмазы в лаборатории химики научились в середине прошлого века. Тогда ученые кристаллизовали алмазы из расплава сульфида железа при семи гигапаскалях и 1600 градусах Цельсия. Позже возникли и другие методы синтеза — например, с помощью химического осаждения из газовой фазы. Но способов получения алмазов при атмосферном давлении до сих пор открыто не было.

Однако химики под руководством Родни Руоффа (Rodney S. Ruoff) из Института фундаментальных наук нашли способ получения алмазов при атмосферном давлении. Они смешали в графитовом тигле слитки железа и никеля, жидкий галлий и кристаллический кремний в мольном соотношении 11:11:77,75:0,25. Далее ученые нагревали тигель в атмосфере метана и водорода в диапазоне температур 1165–1190 градусов Цельсия около часа.

A) Общая схема установки для получения алмазов. B) Способ измерения температуры тигля и его внешний вид / Yan Gong et al. / Nature, 2024

После охлаждения тигля и застывания сплава ученые наблюдали на поверхности его соприкосновения с тиглем радужную пленку. Чтобы отделить пленку от металла, химики растворили образец в соляной кислоте. Полученную чистую пленку они изучили с помощью рамановской спектроскопии, электронной микроскопии и рентгеновской дифракции. В результате выяснилось, что исследователи получили пленку, состоящую из кристаллов алмаза размером в несколько сотен нанометров.

Микрофотографии алмазов после 60 минут (e) и 150 минут (f) кристаллизации / Yan Gong et al. / Nature, 2024

Чтобы понять, как именно образуются алмазы, химики проанализировали состав поверхности металла, прилегающей к поверхности тигля, с помощью масс-спектрометрии.

Так они узнали, что через 15 минут после достижения нужной температуры около поверхности тигля концентрируется углерод. Причем, как показали эксперименты с меченым (¹³CH₄) метаном, углерод переходит в расплав двумя способами — при разложении газообразного метана и из графитового тигля. Затем его концентрация в расплаве резко падает из-за начала кристаллизации.

Микрофотография границы разделения фаз между сплавом и алмазной пленкой. Зона повышенного содержания углерода обозначена как М1 / Yan Gong et al. / Nature, 2024

Так ученые разработали удобный способ получения алмазов. По их мнению, ключевую роль в кристаллизации алмазов играет добавка кремния. С помощью фотолюминесцентных спектров химики обнаружили в образцах алмазов дефекты кристаллической решетки типа кремний-вакансия (SiV^-), которые свидетельствуют о том, что именно вокруг атомов кремния образуются зародыши алмазных кристаллов.