При нормальных условиях алмаз — это метастабильное состояние углерода. Под воздействием высоких температур при атмосферном давлении он превращается в графит. Как выяснили специалисты Сибирского отделения Российской академии наук (СО РАН), в первую очередь трансформация происходит с гранями кристалла, причем этот процесс идет вполне закономерно и предсказуемо. Частичное превращение в графит меняет структуру поверхности алмаза, что открывает новые возможности применения минерала в современных устройствах и оборудовании.
Чтобы изготовить инструменты или устройства с использованием алмазов, недостаточно просто ввести кристаллы в металл. Нужно закрепить их в металлической матрице. Главная сложность в том, что некоторые металлы (например, медь) плохо смачивают поверхность алмаза, влияя на качество сцепления. Формирование слоя графита на поверхности минерала помогает надежно соединить его с металлом. Благодаря такому подходу алмаз крепко фиксируется в изделиях и выдерживает большие нагрузки.
Сначала исследователи изучили и сравнили процессы преобразования в графит натурального и синтетического алмазов. Природные камни образуются глубоко под землей при экстремально высоких температурах и давлениях. Искусственные же получают в лабораторных условиях с использованием установки с высоким давлением, специальных катализаторов и высоких температур. Исходным веществом служит чистый углерод. Механизмы образования природных и синтетических алмазов разнятся, соответственно, различия наблюдаются и в структуре кристаллов.
Так, в ходе исследований ученые выяснили, что покрытия могут формироваться селективно на определенных гранях искусственных алмазов. Современные технологии позволяют целенаправленно наносить слой металла на квадраты или шестиугольники, формирующие поверхность кристалла. Это открывает интересные перспективы, ведь присутствие разных металлов на различных гранях способно придать материалам новые характеристики и варьировать их теплопроводность.
Как отмечают исследователи, в ходе работы они столкнулись с рядом технических сложностей. Одна из основных проблем заключается в том, что образование графита создает условия для протекания электрического тока через образец. Контролировать значение проходящего тока проблематично, поскольку определенная его доля проходит и через графитовую оснастку. Из-за этого эксперименты по изучению графитизации алмаза проводились отдельно, в специальных высокотемпературных печах, где создавались условия высокого вакуума и температуры около 1600—1800 °C.
Когда команда СО РАН установит все закономерности роста графита на алмазах, сможет разработать метод нанесения графеновых покрытий на поверхности алмаза. Такие гибридные материалы демонстрируют высокую прочность и электрическую проводимость, что расширяет область их применения.
Ранее Наука Mail рассказывала, что донские ученые создают основу для производства нанобетона в России.
