Diamanten zijn moeilijk te maken. Ze vormen zich in de bovenste mantel van de aarde, ongeveer honderd mijl onder het oppervlak, onder druk van de schedel en de smelttemperaturen. Hoewel het repliceren van deze omstandigheden in het laboratorium gemeengoed wordt, is de apparatuur hiervoor kostbaar en kan het proces dagen tot weken duren.
gerelateerde inhoud
- We missen minstens 145 koolstofhoudende mineralen, en u kunt helpen ze te vinden
- Oude diamanten kwamen uit zeewater en toekomstige diamanten kunnen uit de lucht komen
- Deze Afrikaanse plant leidt de weg naar diamantenstortingen
Nu, na tientallen jaren van testen, heeft een team van de North Carolina State University een snelle manier ontdekt om diamanten te maken die kunnen worden gedaan zonder koolstof onder extreme druk te persen of te verwarmen met conventioneel bakken.
"Het omzetten van koolstof in diamant is voor wetenschappers over de hele wereld een lang gekoesterd doel geweest", zegt Jagdish Narayan, hoofdauteur van het artikel dat deze week is gepubliceerd in het Journal of Applied Physics .
Verbazingwekkend genoeg ontdekten Narayan en zijn team tijdens het vervaardigen van hun diamanten ook een nieuwe fase van koolstof, genaamd Q-koolstof. Dit bizarre materiaal is nog sterker dan diamant, is magnetisch en straalt een zachte gloed uit. Afgezien van zijn rol bij het maken van snellere, goedkopere diamanten, zou Q-carbon toepassingen kunnen vinden in elektronische displays en kan het ons helpen bij het begrijpen van magnetisme op andere planeten.
Koolstof omzetten in diamant vereist een enorme hoeveelheid energie, daarom werd eerder gedacht dat ze zich alleen onder hoge druk en temperaturen vormden, verklaart geofysicus Rebecca Fischer, een postdoctorale fellow bij het Smithsonian's National Museum of Natural History die niet betrokken was bij het onderzoek .
Maar volgens Narayan zit het allemaal in de snelheid. "Door het snelle proces kunnen we in wezen Moeder Natuur voor de gek houden", zegt hij.
Onder normale kamerdruk stelde het team amorfe koolstof, die geen kristalstructuur heeft, bloot aan extreem korte laserpulsen. Dit verwarmde de koolstof tot ongeveer 6.740 graden Fahrenheit - ter vergelijking: het oppervlak van de zon is ongeveer 10.000 graden Fahrenheit.
De plas gesmolten koolstof werd vervolgens snel afgekoeld of geblust om de taaie nieuwe Q-koolstof te vormen.
Andere versies van carbon vertonen enorm verschillende eigenschappen - zoals zacht, ondoorzichtig grafiet versus harde, sprankelende diamanten - en Q-carbon is geen uitzondering. Wanneer de koolstof smelt, bijvoorbeeld, worden de bindingen tussen atomen korter en hebben ze geen tijd om weer langer te worden omdat het materiaal plotseling afkoelt. Dat maakt het eindproduct dichter en harder dan diamant.
Nog spannender is dat Q-carbon magnetisch is bij kamertemperatuur - een van de weinige magnetische koolstofmaterialen die ooit is geproduceerd. En vanwege zijn specifieke atomaire opstelling, straalt het materiaal kleine hoeveelheden licht uit. Deze eigenschappen kunnen Q-carbon uiterst waardevol maken voor toekomstige elektronische toepassingen.
Het directere gebruik ervan is echter het creëren van diamanten. Door de snelheid waarmee de gesmolten koolstof afkoelt enigszins te veranderen, kunnen de wetenschappers het gebruiken om kristallen van diamanten in een heleboel vormen te laten groeien, zoals nanonaalden, micronaalden, nanodots en films, legt Narayan uit.
Een close-upbeeld met microdiamanten gemaakt met de nieuwe techniek. (Journal of Applied Physics) Het proces is goedkoop, gedeeltelijk omdat het een laser gebruikt die al populair is voor ooglaseroperaties. Bovendien groeit de methode diamanten in een kwestie van nanoseconden.
"We kunnen in ongeveer 15 minuten een karaat maken", zegt Narayan.
Op dit moment zijn de diamanten klein - de grootste is ongeveer 70 micron breed, of ruwweg de breedte van een mensenhaar, volgens Narayan. Maar hij is ervan overtuigd dat het proces kan worden opgeschaald. Op dit punt is de belangrijkste limiet voor edelsteengrootte de laser, zegt hij, en een bredere straal kan grotere diamanten maken.
Maar in plaats van een groot juweel te produceren, is de methode waarschijnlijk het meest veelbelovend voor massaproductie van kleinere sterretjes, zegt Fischer.
Kleine diamanten zijn nuttig op verschillende gebieden, waaronder elektronica, medicijnen en schuurmiddelen, legt natuurkundige Keal Byrne uit, ook een postdoc in het natuurhistorisch museum. "Een nieuwe manier om [diamanten] te maken - vooral een die veel van de infrastructuur van de oude methoden vermijdt - is geweldig, " zegt Byrne.
Het team is nu gericht op het begrijpen van de intrigerende eigenschappen van de Q-carbon, en suggereert zelfs dat het kan helpen bij het verklaren van de magnetische velden van andere planeten die geen actieve dynamo lijken te hebben.
Maar er is nog veel meer te leren voordat we kunnen beginnen met het testen van dat soort theorieën, zegt Byrne: "Het is echt een interessante ontdekking. [Maar] wat daaruit voortkomt - dat is nu het interessante gedeelte. "
