Американские учёные из Университета Северной Каролины, находясь в поиске недорогой технологии производства искусственных алмазов, наткнулись в начале декабря на новую, неизвестную ранее форму углерода. Кристаллический углерод, названный учёными кью-углеродом [Q-carbon], плотнее и твёрже обычных алмазов, является ферромагнетиком и светится в темноте.
Считается, что в природе алмазы формируются на больших глубинах при сверхвысоких давлениях (как правило, 50000 атмосфер) и температурах (порядка 1200 ?C). Для создания синтетических алмазов, которые в основном и используются в промышленности, в лабораториях создаются похожие условия. Но такая технология требует огромных энергозатрат, что сказывается на конечной стоимости продукта.
Таких необычных для углеродных соединений свойств, какие обнаружились у кью-углерода, учёным удалось добиться благодаря новой технологии. При обычном атмосферном давлении некристаллический углерод разогревается сверхвысокочастотным лазером. После того, как углерод расплавится и достигнет температуры порядка 3700 ?C, лужицу очень быстро охлаждают.
При нагреве углеродные атомные связи укорачиваются и не успевают удлиниться обратно при охлаждении. В результате полученный материал оказывается плотнее и примерно в полтора раза твёрже алмаза. Это и другие его необычные свойства сейчас пристально изучаются исследователями. Более того, по утверждению учёных, регулируя скорость охлаждения, можно добиваться получения кристаллов кью-углерода различной формы – иголочек, плёнок и проч.
Процесс получается недорогим, поскольку учёные используют уже существующие лазеры, применяющиеся для операций на глазах. А кристаллы растут очень быстро – как утверждает ведущий автор работы Джагдиш Нарайян [Jagdish Narayan], один карат можно вырастить за 15 минут. Пока кристаллы получаются размером около 70 микрон, но если взять лазер с более широким лучом, можно будет вырастить и кристаллы побольше размером.
Комментарии (50)
Hellsy22
12.12.2015 04:22+11Это же можно будет нацарапать на алмазе всякое!
Кстати судя по способу получения вполне возможно изготовление покрытия из этого вещества.Mii
14.12.2015 13:12Потом надо будет чем поцарапать покрытие изобретать.
olartamonov
14.12.2015 13:29У нас однажды упорные, но не очень сообразительные люди пытались просверлить вольфрамовый электрод с алмазным покрытием. Ну, в смысле, свёрлышком. На станке.
Так я вам скажу, покрытие они расцарапали даже без особых усилий!
А вот дальше нашла, так сказать, коса на камень.
HomoLuden
14.12.2015 15:11Если бы был алмазный электрод с фольфрамовым покрытием той же толщины, то покрытие было бы разрушено с меньшим усилием, а камень для косы оказался бы еще менее податливым.
a_batyr
14.12.2015 13:37+1— Алло, привет, а где наши запасные ключи, а то у меня двери что-то не открываются?
— А ты небось ключи в один карман с мобильным положил?
— Да, а что?
— Та у меня вообще после дальней поездки ключи превратились в стружку с этим новым Gorilla Glass.
mwizard
12.12.2015 06:08+4А какой механизм свечения? Оно же не может светиться просто так, без энергии извне.
Yoto
12.12.2015 07:43+1Хорошее объяснение дали в комментарии к оригинальной статье. (не могу теги использовать)
http://www.smithsonianmag.com/science-nature/weird-new-type-carbon-harder-brighter-than-diamond-180957433/?no-ist#comment-2405570286mwizard
12.12.2015 07:46+10Если вы его поняли, вы могли бы, пожалуйста, написать его в обывательских терминах?
darkalexey
13.12.2015 12:23+10В комментарии идет отсылка к ранним (2005г) исследованиям молекулярных соединений с ассиметричными смешанными sp2 и sp3 связями. Это механизмы связи между атомами в молекулах. Такая связь образовывается в зависимости от того, какие электронные уровни окружают ядро каждого атома, а также разность электроотрицательности атомов (что следует из первого).
Суть в том, что, к примеру, молекула CH4 имеет sp3 гибритизацию в нормальных условиях. Но если начать играться с фазовыми состояниями на высокой скорости (расплавим, кристаллизуем, расплавим, испарим, еще чего...), то с структурой вещества начинается бардак. Там и ассиметрия, и смешанные связи, и еще черт знает что.
Из-за этого при рассмотрении энергетической картины тоже начинается косяки. Обычно у нас есть валентная зона (ниже по энергии) и более низкие уровни электронов, и зона проводимости (выше по кол-ву энергии). Они разделены запрещенной зоной. И свечение происходит при спрыгивании электрона с низа энергии зоны проводимости вниз в валентную зону (а высвободившаяся энергия и выходит фотоном — т.е. светом). Причем, пока электрон не спустится на низ зоны проводимости, он раньше не прыгает. Это и есть правило Каши.
Но при таком бардаке с асимметрией и прочим возможны исключения. Между соседними энергетическими уровнями может быть такой разрыв по энергии, что электрону приходится нарушать правило Каши и прыгать как попало с испусканием свечения. И выбора у него нет, т.к. электрон может прыгать только по уровням, дискретность состояний — это основа квантовой механики, никуда не деться.
Если коротко, то светится он из-за того, что внутри у него косяков много, и электронам приходится прыгать черт знает как, и они негодуэ.
Mad__Max
13.12.2015 22:45Так эти хаотические прыжки по уровням, это высвобождение энергии запасенной единоразово во время синтеза при очень быстрых фазовых переходов в виде «неправильных» связей, которые постепенно «исправляются» переходя на более низкие и стабильные состояния? Т.е. интенсивность максимальна сразу после синтеза и постепенно спадает вплоть до нуля.
Или это переизлучение энергии поглощаемой в какой-то другой форме (тепловой самого кристалла или излучения другой длины волны) и может продолжаться неограниченно пока есть поступление этой внешней энергии?darkalexey
14.12.2015 14:26Ближе ко второму. Обычно свечение идет за счет подачи электрического потенциала или падения другого света или излучаения (например, гамма-лучей, привет Fallout).
Но в сильно деформированной решетке возможны и реакции из-за перестроения решетки под действием механических сил типа сжатия-расширения, деформации, малых тепловых колебаний (хотя сомнительно) и так далее.
Но какое-то внешнее воздействие быть должно несомненно.
sergku1213
12.12.2015 15:04+5Сделайте такой опыт: — возьмите каменную/фарфоровую ступочку, насыпьте немного сахара и посидев в тёмной-темной комнате (минут 15, чтобы глаза привыкли к полной темноте) начните энергично растирать сахар. Увидите голубоватое свечение. Скорее всего этой же природы свечение алмазов — дефекты кристаллической решетки при нагреве схлопываются и дают кванты света.
saga111a
12.12.2015 22:34триболюминисценция и фосфорисценция не много разные вещи. Во втором случае идут синглет триплетные переходы, возможно они тут и происходят
sergku1213
13.12.2015 13:14+1Насколько помню, в алмазах именно нагревом активировалось излучение, так что похоже не фосфорисценция. Ну и к тому же я ж не на спецресурсе это выкладываю, старался проще, чтоб людям понятнее. Хотя не исключаю провалов в моей памяти и неоправданных фантазий. И я не физик(с)
saga111a
13.12.2015 17:20Тут не говорили о нагреве для свечения итп. Обычно под «светится в темноте» если не сказано иное, то подразумевают именно фосфорисценцию. А других способов заставить кого-либо светиться очень много.
sergku1213
13.12.2015 17:45Ну вообще-то синтетические алмазы и так фосфоресцируют…
saga111a
13.12.2015 18:00ну тут не совсем алмазы, вот они видимо и уточнили что конкретно происходит…
sergku1213
12.12.2015 10:21+15Так, все успокоились! Без паники! Скомпоновать углеродные связи как-то по-другому весьма сложно. Просто пишущие любят делать заголовки не прочитав статью, как я понимаю. К этому добавляются трудности перевода. Жёлтую прессу по ссылке: www.smithsonianmag.com/science-nature/weird-new-type-carbon-harder-brighter-than-diamond-180957433/?no-ist#comment-2405570286 — не читайте. Читайте по ссылке: scitation.aip.org/content/aip/journal/aplmater/3/10/10.1063/1.4932622 Там всё понятно и нет чудес: получение наноалмазов при атмосферном давлении. Так как они нано- у них прочность выше. И главное, все красиво расписывается с термодинамикой, SP3-гибридизацией и так далее.
Срамота! Исследование- хорошее, эффект — полезный, журналюги интерпретировали… Правда я не читал внимательно… по-диагонали. Мне за это не платят, а читать английский текст мне трудно и тема волнует мало.
entze
12.12.2015 11:13Правда я не читал внимательно… по-диагонали. Мне за это не платят, а читать английский текст мне трудно и тема волнует мало.
sergku1213
12.12.2015 11:34+20Это вопрос? Или укор? Я химик, 5 лет проработал в Институте Физики Высоких Давлений, рядом с алмазным синтезом, естественно прямые нестыковки мне видны сразу, а детали — про свечение, про степень магнетизма откуда взялись я не изучал. Вообще-то многие природные алмазы при нагреве светятся. Дефекты решётки. Высказал свое мнение без 100% уверенности, но тут в статье много очевидно неверных выводов. Например — сенсация — Вещество твёрже алмазов! А чем алмазы шлифуют? Для шлифовки надобно более твердое вещество. Ответ:- дробят алмаз и дроблёным шлифуют — он твёрже. На картинке изображены практически наноалмазы 200-500нм Это ведь видно глазом? Какую чушь пишут что так можно вырастить и большие алмазы? В исходной статье написано корректно — «наноалмазы», «легко получать затравки для выращивания крупных алмазов». А вот последнее — довольно старая и известная технология: берется правильный кристалл-затравка, на нём известными способами растят большие алмазы.
Meklon
12.12.2015 21:42+1Кстати, хотел спросить… У меня тут коллега заляпала халат белый суспензией наноалмазов. Без вариантов почистить?
sergku1213
12.12.2015 22:05+1Э-э, я представляю варианты как расправиться с алмазами, но чтобы при этом халат уцелел… Просто стирка вряд ли всё уберет — наночастицы сильно приклеиваются к волокнам. Может последующая стирка в ультразвуковой ванночке с сильным детергентом ?(Фэйри?) Вопрос о воздействии наночастиц алмаза на организм скорее определяется размером частиц, сам алмаз вполне биологически инертен как я себе представляю.
jar_ohty
13.12.2015 17:15Маслом трите. Растительным. Потом масло отстираете.
Meklon
13.12.2015 19:29А почему маслом?
jar_ohty
13.12.2015 20:06+1Алмаз неполярный, поверхность у него гидрофобная и олеофильная. Наночастицы в масле дадут устойчивый коллоидный раствор.
Meklon
13.12.2015 20:23О. Надо пробовать.
sergku1213
13.12.2015 21:22Дык у любого ПАВ так и есть хвостик олеофильный — голова гидрофильная. Они потому жир и разбивают в суспензию. Фэйри должно так же сработать. Только с нанопорошками всё не так просто, я думаю. ИМХО.
olartamonov
12.12.2015 14:36+3Вообще для того, чтобы понимать, что в новости написана чушь, достаточно бегло — по диагонали, да — пробежать глазами один абзац абстракта оригинальной статьи, в котором чёрным по белому сказано «мы разработали новый способ получения наноалмазов», без всяких секретных форм углерода:
We report on fundamental discovery of conversion of amorphous carbon into diamond by irradiating amorphous carbon films with nanosecond lasers at room-temperature in air at atmospheric pressure. We can create diamond in the form of nanodiamond (size range <100 nm) and microdiamond (>100 nm). Nanosecond laser pulses are used to melt amorphous diamondlike carbon and create a highly undercooled state, from which various forms of diamond can be formed upon cooling. The quenching from the super undercooled state results in nucleation of nanodiamond. It is found that microdiamonds grow out of highly undercooled state of carbon, with nanodiamond acting as seed crystals.
SelenIT2
12.12.2015 12:58Я тоже насторожился на фразе «углеродные атомные связи укорачиваются и не успевают удлиниться обратно». Ваш комментарий многое прояснил, спасибо!
olartamonov
12.12.2015 14:07+5Я ещё картинку добавлю: olegart.ru/img/diamonds/435e.jpg
Это наноалмазы. Фотографии, как можно заметить, больше десяти лет. Процесс — CVD, осаждение из СВЧ-плазмы (водород с примесью спирта, разогреваемый мощным магнетроном, объём плазмы на одном магнетроне — с куриное яйцо примерно). Когда надо было делать то же самое, но на больших площадях — использовали установки на горячей нити, в которых плазма продувается через раскалённую добела решётку из вольфрамовой проволоки.
Используется это не для получения отдельных алмазиков, конечно, это было бы безумно дорого, а для получения поликристаллических алмазных плёнок — например, в качестве покрытий для металлических деталей, работающих в агрессивных средах (от алмаза можно даже добиться электропроводности, легировав его бором, и таким образом получать эмиссионные катоды, электроды с химически инертным покрытием и т.п.). Потенциально можно растить оптику, например, линзы для мощных лазеров, но на тот момент не было устойчивой технологии для получения оптически чистых плёнок, тем более — монокристаллических: это требует очень точной регулировки температуры и состава плазмы.
Минусы — температуры плазмы (ионная) в районе 1300-1500 градусов, подложка нагревается докрасна, скорость роста весьма скромная; у «горячей нити» примешивается ещё и небольшое химическое загрязнение.
Соответственно, новое исследование эти проблемы решает. Говоря проще — новость не в мифической «новой форме углерода», а в том, что научились растить те же наноалмазы в условиях, пригодных для куда большего количества материалов подложки, и быстро.sergku1213
12.12.2015 14:57На Вашей картинке — дивные кристаллики, октаэдры хорошо видны. У синтетических алмазов, когда я с ними работал, такая форма и была. Только Ваши покрупнее чем на фотографии в статье. А насчёт затравок для роста — не всё так просто: в 90-е это вроде нашли решение — берут много мелких алмазов и нагревая при повышенном давлении происходит рост части из них. Причём алмазы получаются вроде бы даже ювелирного качества. Это не шибко афишируют, т.к. некомпетентные товарищи всё еще любят вкладываться в «брюлики». Правда твёрдость у природных всё-таки получше. А ещё у алмаза замечательная теплопроводность — в разы выше теплопроводности меди( у моноизотопного — в 27раз!) Из него бы микросхемы делать — проблема теплоотвода отодвинулась бы далеко-о-о.
isden
12.12.2015 15:03> Из него бы микросхемы делать — проблема теплоотвода отодвинулась бы далеко-о-о.
А я, вроде бы, читал где-то несколько лет назад, что пробовали делать подложки для них. Но выходило слишком дорого.sergku1213
12.12.2015 15:23Да ещё в 70-х об этом говорили… ясно дорого. Более того, плёнки делать научились, а микросхемы — нет, кажется. А цена… за суперпроцессоры для суперкомпьютеров… не так важна. Важно что транзистор сделать может и могут, а миллиард — нет.
jar_ohty
13.12.2015 20:25+1ЛПД, лазерные диоды с большой плотностью тока и другие подобные сильно нагруженные элементы таки делают с алмазными теплоотводами.
olartamonov
12.12.2015 15:26+5Ну, алмазики у меня разные есть, вот больше похоже на снимок из поста: olegart.ru/img/diamonds/428-1-f.jpg
Да, подложки для микросхем тоже обсуждались, конечно. Там оптическая прозрачность не нужна, электропроводность не нужна — но в CVD их растить всё равно долго и печально, особенно с учётом, что на одном магнетроне площадь маленькая, а многомагнетронные установки — штука сложная и неочевидная в своей работе (ах, этот дивный запах горелой резины вакуумного уплотнения после зажегшейся не в том углу плазмы!).
Есть ещё занятная тема сверхвысокотемпературный полупроводников, работающих при 200-300 °C. Но там у алмаза, помимо сложностей роста, и другая проблема — при 200-то всё OK, а вот при комнатной он ближе к диэлектрикам.
Ну и раз уж мы тут по картинкам, для людей, которые не слишком в теме:
- установка на одном магнетроне (1-7 кВт, самого магнетрона на фото не видно, к нему уходит волновод в сторону дальней стенки, с микрометрами для подстройки его параметров)
- плазма внутри этой установки, красным светится подложка (маленький, примерно 10x10 мм, квадратик в центре — пластинка кремния, на которой всё и растёт)
- экспериментальная многомагнетронная (да, экраном сверху служит барабан от стиральной машинки, ггг)
- установка на горячей нити, в народе просто «батискаф». Невероятной тяжести стальная дура около метра диаметром
mwizard
12.12.2015 15:20sergku1213 olartamonov Если написанное в статье чушь, то как понимать эту цитату из их публикации?
By quenching the carbon from the super undercooled state, we have created a new state of carbon (Q-carbon) [...] The Q-carbon quenched from liquid is a new state of solid carbon with a higher mass density than amorphous carbon and a mixture of mostly four-fold sp3 (75-85%) and the rest three-fold sp2 bonded carbon (with distinct entropy). It is expected to have new and improved mechanical hardness, electrical conductivity, chemical and physical properties, including room-temperature ferromagnetism (RTFM) and enhanced field emission. Here we present interesting results on RTFM, enhanced electrical conductivity, and surface potential of Q-carbon to emphasize its unique properties. The Q-carbon exhibits robust bulk ferromagnetism with estimated Curie temperature of about 500K and saturation magnetization value of 20 emu/g.
Откуда берется ферромагнетизм?sergku1213
12.12.2015 15:37Я этой цитаты в сообщении учёных не нашел. Хотя q-carbon один раз в статье встречается. И описывается не так эффектно, а как смесь аморфного углерода и алмаза. Откуда берётся ферромагнетизм — не скажу, это лучше объяснят спецы-физики. Что-то с электронами происходит. Морока. Тпм ведь видите ли смесь и углерода с sp2-гибридизацией и с sp3. А это как раз касается электронной конфигурации.
olartamonov
12.12.2015 15:38+1Откуда ферромагнетизм — это к ребятам с физики твёрдого тела вопрос, а я ненастоящий сварщик (с)
Но в цитате написано довольно простое: они получили гибрид из разных аллотропных форм углерода. В чистом виде sp3 — это алмаз, а sp2 — пачка разных вариантов, из которых нам ближе банальный графит и модный графен. Собственно, в оригинале это написано ещё более прямо: «In the equilibrium phase diagram of carbon, we introduce an amorphous metastable phase of carbon, where bonding characteristics are a mixture of graphite (sp2 bonded) and diamond (sp3 bonded)».
Отсюда, надо полагать, и странная неправильная форма кристаллов — это «недоалмаз».
Смесь же может быть как интересной, так и не очень — если вы хотите чистый алмаз получить, то sp2 вас не обрадует.
jar_ohty
13.12.2015 17:22А есть ли мальчик? Просто я уже слыхал про одну сенсацию, когда обнаружили слабый ферромагнетизм в алмазе. В тот раз его носителем оказался никель, включения которого были в кристаллах.
Psionic
12.12.2015 21:57Про форму молекулы спрашивать бесполезно?
sergku1213
12.12.2015 22:09+1В случае алмаза вес кристалл — одна молекула. В этом случае штука сильно неравновесная — смесь графита и алмаза (очень грубо говоря)
potan
13.12.2015 21:42Что такое «сверхвысокочастотный лазер»? Ренгеновский?
Mad__Max
13.12.2015 22:57Похоже просто не совсем корректный журналисткий пересказ.
Лазер там был обычный ближний ультрафиолет, а сверхвысокочастоный относилось не к частоте/длине волны излучения лазера, а к тому что лазер работал в импульсном режиме и импульсы были очень короткими и частыми.
Nanosecond laser pulses are used to melt amorphous diamondlike carbon and create a highly undercooled state, from which various forms of diamond can be formed upon cooling.
The amorphous carbon films containing both sp2 and sp3 bonding states were deposited on sapphire (c-plane) and glass substrates by using KrF laser (pulse duration = 25 ns, wavelength = 248 nm, energy density = 3.0 J cm?2) to a thickness of 50-500 nm. These films were characterized by TEM and Raman and found to be amorphous containing Raman signature on sapphire (Diamondlike Carbon (DLC) broad peak = 1580 cm?1) with estimated sp3 fraction varying from 20% to 50%. The Raman spectra for films on glass substrates, contained D (1349 cm?1) and G (1580 cm?1) peaks with considerably less sp3 around 20%-25%. The films on sapphire contained a single broad peak centered on 1580 cm?1 with sp3 fraction over 40%. These films were irradiated in air with ArF laser pulses (pulse duration = 20 ns, wavelength = 193 nm, energy density = 0.3-0.6 J cm?2).
Лазеры использовались 193 нм, 248 нм. А продолжительность импульсов — десятки наносекунд, за счет этого хоть средняя мощность лазера небольшая, но в момент импульса развивалась очень высокая удельная мощность. Данном примере до 30 МегаВатт на см2
UDiy34r3u74tsg34
Фуллерен?
Stalker_RED
Нет, фуллерены синтезируют другими способами. И свойства у фуллеренов совсем другие.