Сучасна "алхімія": вчені перетворили звичайні пластикові пляшки на справжні алмази
Німецькі дослідники за допомогою потужного лазера отримали з пластикової плівки трильйони нанодіамантів і вперше змогли вловити, очистити та дослідити ці надзвичайно дрібні кристали.
Пластик під дією потужного лазера перетворився на алмази / © Фото з відкритих джерел
Звичайна пластикова плівка може стати сировиною для отримання діамантів. Німецькі вчені спрямували на пластик потужні лазерні імпульси, створили екстремальні температуру й тиск та отримали трильйони крихітних кристалів алмазів. Головним досягненням стало те, що дослідникам вдалося не лише утворити нанодіаманти, а й зібрати їх після експерименту, не зруйнувавши.
Про це повідомляє Університет Ростока. Результати роботи команди з Університету Ростока та Центру Гельмгольца в Дрездені опубліковано в науковому журналі Diamond and Related Materials.
Як із пластику утворюються нанодіаманти
Спочатку дослідники хотіли відтворити умови, які можуть існувати глибоко всередині крижаних гігантів — Нептуна й Урана. Там температура сягає кількох тисяч градусів, а тиск у мільйони разів перевищує атмосферний тиск на Землі. За таких умов вуглець може перетворюватися на алмаз.
Для експерименту вчені використали тонку плівку з поліетилентерефталату (ПЕТ) — пластику, який застосовують, зокрема, для виготовлення пляшок. Її товщина становила лише 100 мікрометрів. На плівку спрямовували потужні лазерні імпульси, які породжували ударні хвилі. Вони стискали й нагрівали матеріал до екстремальних значень, сприяючи утворенню нанодіамантів.
Досліди проводили на лазерній установці Extreme Light Infrastructure неподалік Праги. Система могла робити три постріли за хвилину. Під час кожного імпульсу вчені отримували приблизно 10 трильйонів нанодіамантів. Діаметр кожного кристала становив у середньому близько трьох нанометрів — це приблизно три мільярдні метра. Один такий кристал містить орієнтовно 3000 атомів вуглецю.
Однак утворити ці частинки було лише половиною завдання. Щойно ударна хвиля виходила за межі плівки у вакуум, нанодіаманти розганялися до швидкості понад 10 кілометрів за секунду — більш ніж 36 000 км/год. Зіткнення з твердою поверхнею могло пошкодити або зруйнувати кристали.
Як науковці змогли зібрати крихітні кристали
Щоб зберегти нанодіаманти, дослідники використали спеціальний уловлювач — м’який водорозчинний іонний гель, придатний для роботи у вакуумі. Він мав пом’якшити удар частинок, які вилітали з пластикової плівки на величезній швидкості.
Після цього кристали вдалося вилучити з гелю, очистити та дослідити за допомогою електронного мікроскопа ELMI-MV в Університеті Ростока. Прилад дає змогу розрізняти окремі атоми. Щоб отримати кілька сотень мікрограмів матеріалу — достатньо для аналізу, — команді знадобилося близько 100 лазерних імпульсів.
Раніше вчені вже спостерігали утворення нанодіамантів за екстремальних умов, але залишалося незрозумілим, чи переживають кристали перехід до звичайного тиску й температури. Тепер дослідники змогли підтвердити, що їх можна зібрати та дослідити після експерименту.
Де можуть знадобитися нанодіаманти
Нанодіаманти вже застосовують у матеріалах для шліфування та полірування завдяки їхній твердості, стабільності й стійкості до нагрівання. Новий метод дає змогу отримувати частинки дуже малого та близького розміру, а також високої чистоти. Досягти такої однорідності традиційними способами, зокрема за допомогою вибухів, складніше.
Науковці розглядають можливість використання цих кристалів у медичній візуалізації, квантових сенсорах і каталізаторах, які прискорюють хімічні реакції. Нанодіаманти можна також модифікувати, додаючи до їхньої структури інші атоми. Це потенційно може допомогти створювати матеріали для нових технологій, зокрема контрастні агенти для магнітно-резонансної томографії.
Втім, до промислового виробництва ще далеко. Попри трильйони частинок за один лазерний імпульс, загальна маса зібраного матеріалу залишається дуже малою. Наступне завдання дослідників — збільшити вихід до міліграмів і перевірити, наскільки метод можна масштабувати.
Команда також планує дослідити можливість отримання з пластику іншої форми вуглецю — BC8. Її існування передбачають теоретичні моделі, а за властивостями вона може бути щільнішою за звичайний алмаз, такою ж твердою, але менш крихкою. Для цього знадобляться ще вищі тиски. Перший експеримент у цьому напрямку дослідники планували провести в листопаді 2026 року.
Незвичайні алмази та способи їх утворення — останні новини
Алмази можуть утворюватися не лише в лабораторіях. Астрономи припускають, що на Сатурні постійно йдуть дощі з алмазів Таку гіпотезу дослідники пов’язують з екстремальними температурою й тиском, які впливають на вуглецеві сполуки.
Подібні процеси науковці розглядають і для далеких світів за межами Сонячної системи. Зокрема, астрономи дослідили екзопланету, що ламає закони астрофізики. Атмосфера планети вирізняється незвичним складом, який важко пояснити сучасними моделями формування планет.
Тим часом у лабораторіях дослідники експериментують із різною сировиною для створення синтетичних діамантів. Китайські науковці представили алмаз, виготовлений з червоних півоній. Ідея полягає в тому, щоб використати вуглець органічного походження та перетворити його на кристалічну структуру алмазу.