При изучении кристаллов алмаза, в которых наблюдаются спектральные линии поглощения твердого углекислого газа, методом просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) было обнаружено большое количество наноразмерных кислородсодержащих выделений октаэдрической формы. В большинстве случаев эти объекты тесно связаны с дислокационными петлями.

Это позволяет сделать вывод о том, что СО₂-содержащие нанопреципитаты возникли не путем захвата углекислого газа во время роста кристалла, а путем выделения кислорода из алмазной решетки из-за уменьшения его растворимости при понижении давления и температуры.

Результаты опубликованы в Carbon Trends. Алмаз — кристалл, состоящий из чистого углерода. Одним из подходов, позволяющих получать информацию об условиях роста природных алмазов, является изучение примесей в алмазной решетке. Основное внимание традиционно направлено на изучение самых распространенных примесей – азота и водорода, информацию о которых можно получить неразрушающими спектроскопическими методами. Концентрация примесей, их пространственное распределение внутри кристалла и конкретные типы связанных с примесями дефектов решетки отражают температурные условия, химизм и особенности среды, в которых рос алмаз.

Кислород — один из самых распространенных элементов на Земле. В настоящее время нет окончательного ответа на вопрос, может ли примесь кислорода входить в решетку алмаза или же она всегда связана с включениями посторонних фаз. Квантово-химические расчеты показывают возможность образования точечных дефектов, содержащих кислород. Предположительно кислород входит в состав некоторых парамагнитных и люминесцирующих дефектов. Однако на настоящее время роль этой примеси остается плохо изученной.

В спектрах инфракрасного поглощения некоторых алмазов наблюдаются линии поглощения, соответствующие твердой углекислоте. Сдвиг полос поглощения от их положения при обычных условиях свидетельствует о том, что СО₂ находится под высоким остаточным давлением, достигающем 5 ГПа и даже выше. Однако положение спектральных линий СО₂ в разных частях одного и того же кристалла и, соответственно, рассчитанное давление, может меняться в довольно широких пределах, что довольно сложно объяснить в рамках модели захваченных включений ростовой среды.

Преципитаты под микроскопом / ©Пресс-служба ИФХЭ РАН

Ученые ИФХЭ РАН с коллегами из НИЦ «Курчатовский институт», МФТИ и GEMLAB Laboratory (Лихтенштейн) исследовали области кристалла, содержащие твердый углекислый газ, методом просвечивающей электронной микроскопии. Предварительно сС помощью ионного пучка из двух природных кристаллов алмаза были вырезаны тонкие образцы для исследования методом просвечивающей электронной микроскопии. Микроскопия образцов показала, что в них имеются многочисленные кислородсодержащие включения октаэдрической формы (от почти правильных до уплощенных вытянутых октаэдров) размером до 45 нанометров. Большинство включений непосредственно связано с дислокационными петлями.

«Приуроченность выделений к дислокационным петлям типична для распада твердых растворов, – объясняет главный научный сотрудник лаборатории новых физико-химических проблем ИФХЭ РАН, доктор химических наук, профессор РАН Андрей Альбертович Ширяев. – Следовательно, можно сделать вывод, что СО₂ включения возникли в ходе выделения кислорода из алмазной решетки из-за уменьшения его растворимости при понижении давления и температуры».

Морфология и точный химический состав включений зависят от того, как в ходе роста кристалла менялись давление, температура и насыщение кристаллической решетки кислородом.