Zespół naukowców z Korei Południowej prezentuje przełomowe podejście do wytwarzania diamentów. Dotychczas tradycyjna produkcja diamentów syntetycznych wymagała zastosowania ogromnego ciśnienia, często porównywalnego z warunkami panującymi głęboko pod powierzchnią Ziemi, oraz wysokich temperatur. Czy nowo opracowana metoda zrewolucjonizuje rynek?
Zaproponowany przez naukowców z Korei proces ma być nie tylko szybszy, ale także bardziej opłacalny ekonomiczne, a to nie jest zbyt często spotykane połączenie, w szczególności w nowych technologiach. Czy rynek syntetycznych diamentów czeka rewolucja?
Sztucznie produkowane diamenty mają mieć niemal taką samą jakość jak ich naturalne odpowiedniki, co otwiera przed nimi szerokie możliwości zastosowań zarówno w jubilerstwie, ale przede wszystkim w przemyśle technologicznym. Dodatkowo, łatwiejsza i tańsza produkcja syntetycznych diamentów może przyczynić się do zwiększenia dostępności diamentów na rynkach globalnych, a także zmniejszyć negatywne skutki ekologiczne związane z tradycyjnym wydobyciem diamentów.
Najnowsze filmy
Co sprawia, że diamenty są tak niezwykłe?
Te bardzo rzadkie i cenne minerały z gromady pierwiastków rodzimych. Ich nazwa pochodzi z języka starogreckiego, od słowa adamas, co oznacza – niepokonany lub niezniszczalny i nawiązuje do jego wyjątkowej twardości. Diamenty są najtwardszą znaną substancją występującą w przyrodzie i stanowią jedną z najbardziej pożądanych form czystego węgla. Charakteryzują się unikalną strukturą, w której atomy węgla są ściśle ze sobą połączone w krystaliczną sieć. Diamenty dominują nie tylko w skali twardości Mohsa, ale również wykazują doskonałe właściwości przewodnictwa ciepła i elektryczności, dzięki czemu znajdują zastosowanie w nowoczesnych technologiach. Jest izolatem, z wyjątkiem diamentu niebieskiego, który jest półprzewodnikiem. Jest odprony na działanie kwasów i topi się dopieor w temperaturze około trzech i pół tysiąca stopni celsjusza.
Te wszystkie cechy sprawiają, że diamenty stały się kluczowym komponentem nie tylko pierścionków zaręczynowych, ale używane są w głównej mierze w bardzo zaawansowanych urządzeniach jak między innymi: komputerach kwantowych, zaawansowanych czujnikach magnetycznych, urządzeniach elektrycznych o wysokiej mocy, detektorach promieniowania oraz laserach.
Formacja naturalnych diamentów odbywa się głęboko w płaszczu Ziemi, na głębokościach sięgających setek kilometrów. W warunkach niewyobrażalnego ciśnienia i ekstremalnych temperatur, węgiel przekształca się w diamenty w procesie, który może trwać od setek milionów do nawet miliardów lat. Naukowcy, inspirując się naturą, opracowali metody syntetycznego wytwarzania diamentów, odtwarzając te ekstremalne warunki w laboratorium. Wynikiem są diamenty syntetyczne, które w swojej strukturze, właściwościach fizycznych, optycznych oraz składzie chemicznym są praktycznie nierozróżnialne od ich naturalnych odpowiedników.
Współcześnie dominująca technologia produkcji syntetycznych diamentów, choć efektywna, jest zarówno kosztowna jak i technologicznie zaawansowana. Metoda znana jako syntetyczna produkcja diamentów wysokociśnieniowa w skrócie HPHT od angielskiej nazwy czyli high pressure high temperature, wymaga stosowania wręcz potwornego ciśnienia, niemal sześćdziesiąt tysięcy razy większego niż ciśnienie atmosferyczne. Dodatkowo, proces ten odbywa się w ekstremalnie wysokich temperaturach, sięgających tysiąca sześciuset stopni Celsjusza. Jest to proces skomplikowany i zasobożerny, wymagający specjalistycznego sprzętu i surowców, w tym zarodka diamentowego, który służy jako „matryca” dla rosnącego diamentu syntetycznego, oraz ciekłych metali, które pełnią rolę katalizatora w procesie krystalizacji.
I tutaj na scenę wchodzą naukowcy z Korei Południowej, którzy opisali w prestiżowym czasopiśmie naukowym „Nature”, przełomową alternatywną metodę “hodowli” diamentów. Ich innowacyjne podejście pozwala na znaczną redukcję wymaganego ciśnienia, a także przeprowadzenie procesu w nieco niższych temperaturach. Co stanowi potencjalnie rewolucyjny krok w kierunku obniżenia kosztów produkcji syntetycznych diamentów. Zmniejszenie wymagań ciśnieniowych i termicznych nie tylko otwiera drogę do tańszej produkcji, ale może uczynić diamenty bardziej dostępnymi dla różnych zastosowań przemysłowych.
Patronite
Zostań Patronem Astrofazy! Pomóż rozwijać projekt i zyskaj dostęp do bonusowych treści!Przepis na hodowlę diamentów, zaprezentowany przez zespół badawczy z Instytutu Nauk Podstawowych w Korei Południowej, w miejsce skomplikowanych i kosztownych tradycyjnych metod, wykorzystuje stosunkowo prostą, ale wysoce innowacyjną technikę, która korzysta z mieszanki ciekłego galu, żelaza, niklu i krzemu. Ta mieszanka, po podgrzaniu do temperatury tysiąca dwudziestu pięciu stopni Celsjusza, reaguje z gazami – metanem i wodorem, tworząc diamenty w warunkach zwykłego ciśnienia atmosferycznego, czyli jednej atmosfery. Podkręślę to jeszcze raz, jednej, a nie sześćdziesięciu tysięcy jak w metodzie HPHT. Oprócz tego nie wymaga zarodka kryształu.
Czy to już przełom? Tak, ale nie do końca. Metoda, co prawda działa, ale póki co pozwala na produkowanie bardzo małych kamieni, osiągających średnicę do stu… nanometrów. Mają więc rozmiary podobne do typowych wirusów.
Chociaż są bardzo małe proces ich tworzenia zajmuje zaledwie dwie i pół godziny. To znacznie krótszy czas w porównaniu z długotrwałymi procesami wymaganymi w innych metodach hodowli diamentów. Autorzy są nastawieni bardzo optymistycznie do możliwości skutecznego zwiększania rozmiarów hodowanych kryształów wraz z dalszymi pracami nad ulepszeniem opracowanego przez nich procesu.
Proces, który badacze z Korei Południowej opracowali do hodowli diamentów, zaczyna się od umieszczenia drobnych cząstek diamentu na krzemowej płytce. Następnie dodają krople stopionego galu i innych ciekłych metali, które mają za zadanie służyć jako medium dla przyszłych diamentów. Po dodaniu metali, mieszanka jest eksponowana na działanie metanu oraz wodoru. Początkowe oczekiwania naukowców były takie, że węgiel z gazów wniknie w ciekły metal i zintegruje się z diamentowymi drobinkami, powodując wzrost większych kryształów. Te oczekiwania okazały się słuszne, co stanowiło pierwszy sukces.
Kolejne eksperymenty przyniosły jeszcze bardziej zaskakujące wyniki. Badacze odkryli, że do rozpoczęcia procesu tworzenia diamentów nie jest nawet potrzebny diamentowy zarodek. Okazało się, że atomy węgla z metanu mogą samodzielnie rozprzestrzeniać się w stopionym metalu i pełnić funkcję zarodków diamentowych. To odkrycie miało kluczowe znaczenie, ponieważ eliminuje potrzebę stosowania drogich i trudno dostępnych zarodków, otwierając tym samym drogę do jeszcze bardziej uproszczonej i tańszej produkcji syntetycznych diamentów w przyszłości.
Badacze z Korei Południowej, rozwijający nowatorską metodę hodowli diamentów, zdołali już osiągnąć znaczące sukcesy, wytwarzając folię diamentową złożoną z tysięcy drobnych, ciasno upakowanych kryształów. Jednakże, jak sami przyznają, folia diamentowa, mimo swojej wartości, nie jest równoznaczna z pojedynczymi, większymi kamieniami, które są bardziej pożądane zarówno na rynku jubilerskim jak i przemysłowym.
W opublikowanej pracy, naukowcy wskazują na możliwości dalszego ulepszania swojej technologii. Zaproponowane przez nich „proste modyfikacje” obejmują rozszerzenie obszaru, na którym diamenty mogą być hodowane, poprzez użycie większych powierzchni oraz odpowiednio skonfigurowanych elementów grzewczych. Te zmiany mają na celu stworzenie większych obszarów wzrostu, co może skutkować tworzeniem większych pojedynczych diamentów niż te, które udało się uzyskać do tej pory. Dodatkowo, sugerują możliwość ulepszenia dystrybucji węgla w procesie, co również mogłoby zwiększyć efektywność hodowli.
Choć prace te znajdują się wciąż na wczesnym etapie, autorzy badania są przekonani o ogromnym potencjale tej metody. Podkreślają, że zastosowanie innych ciekłych metali może również przynieść podobne lub nawet lepsze rezultaty, co otwiera drogę do kolejnych eksperymentów i dalszych innowacji.
