Umělé diamanty - vyrobené při normálním tlaku

Podařilo se vyrobit umělé diamanty, které ke svému vzniku nepotřebovaly extrémní podmínky. Diamanty, které vznikají při vysoké teplotě - a normálním tlaku. (délka blogu 3 min.)

Přírodní diamanty

Jedny z nejžádanějších vzácných kamenů, diamanty, vznikají v nitru země při extrémních podmínkách. Formují se při teplotách 900 až 1400 stupňů a tlaku pěti až šesti gigapascalů – tedy za podmínek, které panují v hloubce 150 až 200 kilometrů, ve svrchním plášti Země. Obzvlášť velké diamanty (takové jako slavný Cullinan nebo Koh-i-Noor), vznikaly dokonce v ještě větších hloubkách. Vědci objevili v diamantech nepatrné kovové příměsi - a to je přivedlo k teorii, že diamanty vznikaly v horké kovové tavenině.

^{Obrázek: Ilustrace, diamant, zdroj D. Tenzler}

Umělé diamanty

Už v roce 1955 pak vědci vynalezli a použili k syntéze prvních umělých diamantů přístroj, který dovoloval využití vysokého tlaku a teploty. Nacházel se v něm roztavený sulfid železa při teplotě 1600 °C a tlaku 7 GPa.

Tento způsob dobře fungoval, takže se dlouho věřilo, že umělé diamanty musí vznikat při těchto extrémních podmínkách - koneckonců se tak děje i v přírodě. 99 procent syntetických diamantů se v současnosti vyrábí pomocí vysokotlakých a vysokoteplotních metod. Takové diamanty jsou ovšem z principu omezeny velikostí laboratorního přístroje, konkrétně maličké komůrky, kde se podaří vyvinout vysoká teplota a tlak.

Nedávno se podařilo celý proces zjednodušit. Ukázalo se, že k výrobě diamantů se dá využít vysoká teplota a tavenina kovů - ovšem bez nutnosti použití vysokého tlaku.

Kovová tavenina a běžný atmosférický tlak

Nedávné studie ukázaly, že některé kovy a slitiny obsahující nikl, palladium a platinu, cínu, olovu, indiu nebo galliu, mohou při vysoké teplotě transformovat metan na vodík a pevný uhlík.

Princip je vlastně úplně jednoduchý. Speciální směs kovů usnadňuje štěpení chemických vazeb mezi atomy uhlíku a vodíku v metanu. Z uvolněného uhlíku pak vznikají diamanty.

Musí se jen nalézt vhodné podmínky (chemické složení kovové taveniny), při kterých by uhlík netvořil grafit, ale namísto něj se vytvářely ušlechtilé diamanty.

Aby našli potřebné parametry, museli vědci vyzkoušet stovky kombinací. Systém, ve kterém je testovali, se skládal z různých kovových slitin, grafitového kelímku, který se zahříval na různou teplotu a zdroje metanu.

Ukázalo se, že optimální je teplota 1175 °C a kovová slitina ze 77,75 procenta gallia, 11 procent niklu, 11 procent železa a 0,25 procenta křemíku, do které byla zavedena směs metanu a vodíku.

Už po 15 minutách začínají na rozhraní slitiny a grafitového kelímků růst první krystaly diamantů. Důležitou komponentou je také křemík. Bez tohoto prvku nedochází k tvorbě diamantu a největší krystaly vznikají pouze při optimálním dávkování tohoto chemického prvku. Křemík totiž podporuje tvorbu drobných shluků atomů uhlíku na rozhraní obou materiálů. U těchto drobných shluků se vytvářejí vazby s křemíkem, který je tím stabilizuje. Mohou tak sloužit jako krystalizační centra pro růst diamantových krystalů - podobně jako se v mracích shlukuje vodní pára na nepatrných částečkách prachu.

Diamanty, které jsou vyrobeny takovou metodou jsou velice čisté. Obsahují samozřejmě daleko méně příměsí než ty, které nacházíme v přírodě. Obsahují ale křemíkové defekty, když jsou do krystalické mřížky integrovány jednotlivé atomy křemíku. Takové vady jsou pak například zodpovědné za určité zbarvení umělého diamantu - propůjčují mu ale také speciální elektrické a kvantově-fyzikální vlastnosti, tvrdí vědci. Doufají, že se budou moci využít v kvantových počítačích nebo některých dalších speciálních aplikacích.

^{Zdroj: doi: 10.1038/s41586-024-07339-7}