Учёные превратили молекулы из нефти в чистый алмаз
В нефтехимии и полимерной промышленности мы привыкли, что углеводороды — это сырьё для топлива, пластмасс, синтетических волокон и смазочных материалов. Но то, что из молекул, добытых из нефти и газа, можно получить чистый алмаз, звучит как научная фантастика. А это реальность, подтверждённая исследователями Стэнфордского университета и Национальной ускорительной лаборатории SLAC. Они показали, что при правильном сочетании давления и температуры отдельные молекулярные структуры способны почти мгновенно перестраиваться в алмазную решётку. И хотя это не способ производства бриллиантов для ювелирных украшений, результат открывает новые горизонты для создания технических алмазов с уникальными свойствами.
Ниже — материал о том, как учёные превратили нефтяные молекулы в алмаз, почему это важно для науки и промышленности и чем отличается от традиционных методов синтеза. Редакция портала о полимерах и нефтехимии не несёт ответственности за содержание этой статьи, а приведённые данные не следует рассматривать как официальное научное заключение. Материал носит информационный характер.
Исследователи Стэнфордского университета и Национальной ускорительной лаборатории SLAC продемонстрировали необычный способ получения чистого алмаза из углеводородных молекул, содержащихся в сырой нефти и природном газе. По данным myjewels.ru, эксперимент показал, что при правильно подобранном сочетании давления и температуры отдельные молекулярные структуры способны почти мгновенно перестраиваться в алмазную решётку.
Результаты работы были опубликованы 21 февраля 2020 года в научном журнале Science Advances. Главной задачей исследователей было не производство крупных синтетических камней для ювелирной промышленности, а изучение фундаментального механизма, благодаря которому атомы углерода образуют структуру алмаза.
В качестве исходного материала учёные использовали диамондоиды — особые углеводородные молекулы, встречающиеся в нефтяных месторождениях. Их название можно перевести как «алмазоподобные соединения». Атомы углерода в таких молекулах уже расположены в виде жёстких пространственных каркасов, напоминающих отдельные фрагменты кристаллической решётки алмаза.
Внешне очищенные диамондоиды представляют собой бесцветные или беловатые порошки, немного напоминающие каменную соль. Однако на атомном уровне они значительно сложнее обычных минеральных кристаллов. В их состав входят углерод и водород, тогда как чистый алмаз состоит практически исключительно из углерода.
Алмазная структура уже была заложена в молекуле
Для эксперимента исследователи выбрали три простейших диамондоида: адамантан, диамантан и триамантан. Их молекулы состоят соответственно из одного, двух и трёх соединённых углеродных каркасов. Учёные хотели установить, влияет ли количество таких «клеток» на скорость и условия превращения вещества в алмаз.
Наиболее перспективным оказался триамантан. Его пространственная структура уже содержит фрагменты, близкие к элементам кубической решётки природного алмаза. Благодаря этому атомам углерода требовалось меньше энергии для окончательной перестройки.
Образцы помещали в алмазную наковальню — компактное лабораторное устройство, в котором вещество сжимается между вершинами двух тщательно отполированных природных или синтетических алмазов. Такая установка позволяет создавать давление, сопоставимое с условиями, существующими в глубинных слоях Земли.
После сжатия образцы нагревали лазером. При давлении около 20 гигапаскалей, что приблизительно соответствует 200 тысячам атмосфер, и температуре около 900 кельвинов, или 627 градусов Цельсия, молекулы триамантана начинали разрушаться и перестраиваться. Атомы водорода отделялись, а оставшийся углерод формировал упорядоченную алмазную решётку.
По данным исследования, превращение происходило менее чем за 19 микросекунд — быстрее, чем человек способен заметить какое-либо изменение без специального оборудования. Особенно важным оказалось то, что реакция проходила напрямую: исходное вещество не превращалось сначала в графит или другую промежуточную форму углерода.
Почему это отличается от обычного производства синтетических алмазов
Искусственные алмазы производят уже более 60 лет. Наиболее известны две технологии: выращивание при высоком давлении и высокой температуре, известное как HPHT, и химическое осаждение из газовой фазы — CVD.
При использовании HPHT углерод подвергают сильному давлению и нагреву, имитируя природные условия формирования алмазов. Для ускорения процесса часто применяются металлические катализаторы. Их микроскопические включения могут сохраняться в готовом материале и влиять на его свойства.
Технология CVD основана на осаждении атомов углерода из газовой смеси на подготовленную поверхность. Она позволяет выращивать достаточно чистые алмазные пластины и контролировать состав материала, однако процесс обычно требует сложного оборудования и занимает значительно больше времени.
Стэнфордские исследователи стремились получить максимально чистую модель превращения, при которой одно исходное вещество переходит в алмаз без металлического катализатора. Диамондоиды оказались подходящим материалом, поскольку расположение атомов углерода в них изначально напоминает структуру будущего кристалла.
Геолог Стэнфордского университета Родни Юинг охарактеризовал этот подход как своеобразный способ «обойти» обычные термодинамические требования алмазообразования. Исследователи не отменили необходимость высокого давления, но продемонстрировали, что правильно выбранная молекулярная структура позволяет значительно снизить энергетический и временной барьер реакции.
Из нефти пока нельзя вырастить бриллиант для кольца
Несмотря на эффектный результат, разработанный метод не позволяет производить крупные ювелирные алмазы. Рабочая область алмазной наковальни имеет микроскопические размеры, поэтому в ходе экспериментов удалось получить только мельчайшие частицы чистого алмаза.
Таким способом невозможно изготовить кристалл массой в несколько карат или наладить промышленный выпуск вставок для колец, серёг и подвесок. Для ювелирного рынка по-прежнему значительно практичнее технологии HPHT и CVD, позволяющие выращивать более крупные кристаллы.
Ценность работы заключается в другом. Учёные получили возможность наблюдать практически элементарный механизм рождения алмазной структуры: удаление водорода, сохранение части углеродных каркасов и их последующее объединение в кристаллическую решётку.
Понимание этого механизма может помочь разработать более экономичные методы производства технических алмазов. Исследователи также рассчитывают научиться контролируемо добавлять в материал атомы других элементов. Такое легирование позволяет изменять электрические, оптические и магнитные свойства алмаза.
Алмазы нужны не только ювелирам
Алмаз традиционно воспринимается как драгоценный камень и символ прочности, любви, власти и высокого положения. Однако для науки и промышленности гораздо важнее его физические характеристики.
Это один из самых твёрдых известных природных материалов. Алмаз обладает высокой теплопроводностью, химической стабильностью, прозрачностью в широком диапазоне электромагнитного излучения и устойчивостью к износу. Благодаря этому синтетические алмазы используются в режущем и шлифовальном инструменте, высокоточной оптике, электронике, медицине и измерительной технике.
Особенно перспективными считаются алмазные материалы для отвода тепла от мощных электронных компонентов. В отличие от большинства металлов, алмаз способен эффективно проводить тепло, оставаясь электрическим изолятором. Это свойство важно для создания компактных процессоров, лазерных систем и оборудования, работающего при высоких температурах.
Алмазы с контролируемыми дефектами кристаллической решётки применяются в высокочувствительных датчиках. Они способны регистрировать слабые магнитные и электрические поля, изменения температуры и отдельные молекулярные процессы. Подобные технологии могут использоваться в биологических исследованиях, медицинской диагностике и квантовых вычислениях.
Как алмазы образуются в природе
Природные алмазы формируются в мантии Земли на глубине примерно от 140 километров и более. Под действием высокого давления и температуры атомы углерода соединяются в прочную трёхмерную кристаллическую решётку.
На поверхность такие кристаллы попадают благодаря древним вулканическим процессам. Потоки магмы быстро поднимают их из глубин по кимберлитовым и лампроитовым трубкам. Если подъём происходит слишком медленно, алмазная структура может разрушиться или частично превратиться в графит.
Формирование природных камней занимает огромные промежутки времени, тогда как лабораторные методы позволяют получать алмазный материал за несколько недель, дней или даже секунд. Эксперимент с триамантаном показал, что при использовании заранее подготовленного молекулярного каркаса сам переход в алмазную фазу способен происходить практически мгновенно.
Исследование Стэнфордского университета не означает, что нефть вскоре станет массовым сырьём для производства ювелирных бриллиантов. Однако работа показала принципиально новый путь: вместо грубого воздействия на обычный углерод можно подобрать молекулу, структура которой уже содержит «чертёж» будущего алмаза.
Полученные результаты расширяют представления учёных о поведении углерода при экстремальном давлении. В дальнейшем эти знания могут привести к появлению новых способов синтеза чистых алмазных покрытий, наночастиц, сенсоров и компонентов для электроники — материалов, ценность которых будет определяться не красотой и массой в каратах, а уникальными физическими свойствами.
Нефть как источник алмазов: научный прорыв без ювелирных перспектив
В нефтехимии привыкли, что из углеводородов получают топливо, полимеры, синтетические масла и тысячи других продуктов. Но чтобы из них получить алмаз — это не просто необычно, это меняет представление о том, что вообще возможно с этими молекулами. Исследователи из Стэнфорда и SLAC показали, что диамондоиды — углеводородные молекулы, встречающиеся в нефти, — при давлении 20 гигапаскалей и температуре около 600 °C перестраиваются в алмазную решётку за 19 микросекунд. Это не промышленный метод, а фундаментальное открытие, которое объясняет, как происходит переход от молекулярной структуры к кристаллической.
Автор текста правильно акцентирует: метод не для ювелирки. Алмазная наковальня имеет микроскопическую рабочую область, и получить камень в несколько карат таким способом невозможно. Ценность работы — в понимании механизма. Если раньше для синтеза алмаза требовалось хаотичное сжатие углерода с катализатором, то теперь учёные увидели, как «правильная» молекула сама складывается в кристалл, если снять с неё водород.
Для промышленности это открывает двери к созданию алмазных покрытий, наночастиц и сенсоров с контролируемыми свойствами. Технические алмазы уже сегодня используются в режущем инструменте, оптике и электронике. А добавление примесей (легирование) позволяет создавать материалы с заданными электрическими или магнитными характеристиками. Так что, возможно, через несколько лет алмазы из нефти будут работать не в кольцах, а внутри лазеров, процессоров и медицинских датчиков. И это, пожалуй, даже интереснее, чем бриллиант в оправе.