Теперь он сообщает в исследовании, опубликованном в Scientific Reports, что процесс производства этих новых нанокристаллических алмазных микро наковальней оказался «удивительно последовательным» и демонстрирует «высокий уровень воспроизводимости при изготовлении».Эти результаты обнадеживают для продолжения исследований материалов в экстремальных условиях давления и температуры, говорит Вохра, профессор и ученый-физик Колледжа искусств и наук UAB Университета Алабамы в Бирмингеме.Нанокристаллический алмаз выглядит как крошечный бугорок материала, выращенный на поверхности плоской кюлетной поверхности драгоценного камня в одну треть карата.
Чтобы создать бугорок, драгоценный алмаз покрывают тонкой пленкой вольфрама, в центре которой вытравлен круг размером 15-20 микрометров. Нанокристаллический алмаз начинает расти в виде крошечных алмазных зерен в этом круге на поверхности драгоценного алмаза. Зерна образуются в результате осаждения из паровой фазы из плазмы, образованной при нагревании газов метана, водорода и азота.Плазма — это горячее ионизированное газообразное вещество, которое является четвертым состоянием материи после жидкостей, твердых тел и газов.
Зерна нанокристаллического алмаза обычно имеют размер от 5 до 100 нанометров.Вохра и коллеги из UAB изучили морфологию зародышеобразования нанокристаллов на ранней стадии через одну, три и 15 минут после начала синтеза. Они обнаружили, что зарождение нанокристаллических алмазов начинается быстро и без необходимости предварительного засеивания поверхности крошечными алмазными крапинками.
Напротив, такая затравка требуется для роста алмаза на некоторых других поверхностях.Спустя всего одну минуту роста изображения, полученные с помощью электронного микроскопа, показали значительные места зарождения на поверхности наковальни из монокристаллического драгоценного алмаза.
Через три минуты только небольшие участки поверхности драгоценного камня не покрывались нанокристаллическим алмазом, а через 15 минут было полное и равномерное покрытие нанокристаллическими зернами, которые начали слипаться по всей области роста.Рост замедлялся от трех до шести часов, и нанокристаллический алмаз имел тенденцию сливаться в полусферическую структуру. Вохра говорит, что эта геометрия постоянно наблюдалась на протяжении всех двухэтапных экспериментов по выращиванию, которые проводили исследователи UAB. Вдобавок, кажется, существует геометрический предел для общих размеров роста.
Нанокристаллический бугорок значительно увеличивает давление, достигаемое с помощью алмазных микронаковален. Монокристаллические драгоценные камни размером 300 микрон без нанокристаллического бугорка могут создавать давление всего 75 гигапаскалей. Когда добавляется нанокристаллический алмаз, микронаковальни могут создавать давление до 500 гигапаскалей.
Исследователи UAB надеются достичь давления в 1000 гигапаскалей, или одного терапевпаскаля, с помощью своих нанокристаллических алмазных микро наковальней. Это близко к давлению в центре планеты Сатурн.
Это огромное давление может потенциально создавать еще неизвестные новые материалы, а также использоваться для изучения фазовых изменений и поведения материалов при сжатии. В мире природы такие огромные силы глубоко под землей могут превратить углерод в алмазы или вулканический пепел в сланец.
Команда UAB также исследовала микро-наковальни из нанокристаллических алмазов, которые показали отслоение во время сжатия и декомпрессии в устройстве ячейки с алмазной наковальней. Используя электронную силовую микроскопию, сканирующую электронную микроскопию и рамановскую спектроскопию, исследователи обнаружили, что нарушение отслоения произошло в основной части наковальни из монокристаллического драгоценного алмаза под поверхностью калетты, а не на границе раздела между драгоценным алмазом и нуббином нанокристаллического алмаза.Это указывает на то, что прочность сцепления на границе раздела между драгоценным алмазом и нуббином нанокристаллического алмаза, по-видимому, значительна, и что поверхность раздела может выдерживать сверхвысокие напряжения сдвига.
Вохра говорит, что исследователи UAB продолжат исследования по изменению размера зерен и прочности сцепления на границе раздела, чтобы оптимизировать микронаковальни из нанокристаллического алмаза для исследований под высоким давлением.