Diamanter er svære at fremstille. De dannes i Jordens øverste mantel, cirka hundrede miles under overfladen, under kranietknusende pres og klippesmeltetemperaturer. Selvom gentagelse af disse forhold i laboratoriet bliver almindeligt, er udstyret til at gøre det dyrt, og processen kan tage dage til uger.
Relateret indhold
- Vi mangler mindst 145 kulstofbærende mineraler, og du kan hjælpe med at finde dem
- Gamle diamanter kom fra havvand og fremtidige diamanter kan komme fra luften
- Denne afrikanske plante leder vejen mod diamantindskud
Nu efter årtiers test har et team fra North Carolina State University opdaget en hurtig måde at fremstille diamanter på, som kan gøres uden at presse kulstof under ekstremt tryk eller opvarme det med traditionel bagning.
”Konvertering af kulstof til diamant har været et værdsat mål for forskere over hele verden i længst tid, ” siger Jagdish Narayan, hovedforfatter af papiret, der blev offentliggjort denne uge i Journal of Applied Physics .
Utrolig nok opdagede Narayan og hans team i processen med at udforme deres diamanter en ny fase af kulstof, kaldet Q-carbon. Dette bisarre materiale er endnu hårdere end diamant, er magnetisk og udsender en blød glød. Bortset fra sin rolle i at fremstille hurtigere, billigere diamanter, kunne Q-carbon finde anvendelser i elektroniske skærme og kan hjælpe vores forståelse af magnetisme på andre planeter.
Ændring af kulstof til diamant kræver en enorm mængde energi, hvorfor de tidligere blev antaget at danne sig under højt tryk og temperaturer, forklarer geofysiker Rebecca Fischer, en postdoktor ved Smithsonians National Museum of Natural History, som ikke var involveret i forskningen .
Men ifølge Narayan er det alt sammen i hastigheden. ”Gennem den hurtige proces kan vi i det væsentlige narre Moder Natur, ” siger han.
Under regelmæssigt rumtryk udsatte teamet amorf kulstof, der mangler nogen krystalstruktur, for ekstremt korte laserimpulser. Dette opvarmede carbonet op til ca. 6.740 grader Fahrenheit - til sammenligning er solens overflade omkring 10.000 grader Fahrenheit.
Puden med smeltet kulstof blev derefter hurtigt afkølet eller slukket for at danne det hårde nye Q-carbon.
Andre versioner af kulstof viser meget forskellige egenskaber - som blød, uigennemsigtig grafit kontra hårde, glitrende diamanter - og Q-carbon er ingen undtagelse. Når for eksempel kulstof smelter, forkortes bindingerne mellem atomer og har ikke tid til at forlænges igen, da materialet pludselig køler ned. Det gør det færdige produkt tættere og hårdere end diamant.
Endnu mere spændende er, at Q-carbon er magnetisk ved stuetemperaturer - et af de få magnetiske kulstofmaterialer, der nogensinde er produceret. Og på grund af dets specifikke atomarrangement udsender materialet små mængder lys. Disse egenskaber kan gøre Q-carbon ekstremt værdifuld til fremtidige elektroniske applikationer.
Dets mere øjeblikkelige anvendelse er dog hjælp til at skabe diamanter. Ved lidt at ændre de hastigheder, hvormed det smeltede kulstof afkøles, kan forskerne bruge det til at dyrke krystaller af diamanter i en masse former, såsom nanonåler, mikronål, nanodotter og film, forklarer Narayan.
Et nærbillede, der viser mikrodiamanter lavet ved hjælp af den nye teknik. (Journal of Applied Physics) Processen er billig, delvis fordi den bruger en laser, der allerede er populær til laser-øjenoperationer. Derudover dyrker metoden diamanter i et spørgsmål om nanosekunder.
”Vi kan lave en karat på cirka 15 minutter, ” siger Narayan.
Lige nu er diamanterne små - den største er ca. 70 mikron bred, eller omtrent bredden af et menneskehår, ifølge Narayan. Men han er overbevist om, at processen kan opskaleres. På dette tidspunkt er den største grænse for perlestørrelse laser, siger han, og en bredere bjælke kunne gøre større diamanter.
Men snarere end at fremstille en stor perle, er metoden sandsynligvis mest lovende for masseproduktion af mindre mousserende, siger Fischer.
Små diamanter er nyttige på mange forskellige områder, herunder elektronik, medicin og slibemidler, forklarer fysiker Keal Byrne, også postdoktor ved naturhistorisk museum. ”At have en ny måde at skabe [diamanter] - især en, der undgår meget af infrastrukturen i de gamle metoder - er fantastisk, ” siger Byrne.
Holdet er nu fokuseret på at forstå de spændende egenskaber ved Q-carbon, og antyder endda, at det kan hjælpe med at forklare magnetfelterne på andre planeter, der ikke ser ud til at have aktive dynamoer.
Men der er meget mere at lære, før vi kan begynde at sætte denne slags teorier på prøve, siger Byrne: ”Det er en virkelig interessant opdagelse. [Men] hvad der kommer fra det - nu er det den interessante del. "
