Электрическое поле помогает алмазам расти

Кандидат физико-математических наук Алексей Понятов

Большинство природных алмазов образуются в мантии Земли на глубине не менее 150 км при температуре свыше 1500°C и чрезвычайно высоком давлении в несколько гигапаскалей .

Алмаз, как и графит, представляет собой особую форму углерода. Он знаменит высокой твёрдостью, которую ему придаёт кубическая кристаллическая решётка и прочные химические связи. На протяжении столетий его добывали в природе, а с 1950-х годов получают искусственно.

Схема электрохимической ячейки высокого давления для одного из экспериментов по получению алмазов (А). На рисунках В и С показано образование алмазов у отрицательного электрода. Рисунок: ИГМ СО РАН.
Беспрессовый аппарат высокого давления БАРС, разработанный в ИГМ СО РАН (слева), блок аппарата высокого давления с электрохимической ячейкой в центре (справа). Фото Александра Хохрякова, ИГМ СО РАН.
Микрофотографии кристаллов алмаза и графита, полученных в экспериментах (Dm — алмаз, Gr — графит). Фото Юлии Баталевой, ИГМ СО РАН/Science Advances/CC BY-NC 4.0.

Большинство природных алмазов образуются в мантии Земли на глубине не менее 150 км при температуре свыше 1500°C и чрезвычайно высоком давлении в несколько гигапаскалей (1 Гпа = 109 Па), более чем в десять тысяч раз превышающем привычное атмосферное давление. Исходным материалом, по всей видимости, служат расплавы различного карбонатного или карбонатно-силикатного вещества: соединений магния, кальция и кремния, которые богаты как углеродом, так и кислородом. В настоящее время существует несколько гипотез о механизме формирования алмазов, но как именно этот ценный минерал углерода образуется глубоко под землёй, в точности неизвестно.

Исследователи из Института геологии и минералогии им. В. С. Соболева СО РАН (ИГМ СО РАН, Новосибирск) и Немецкого центра наук о Земле (GFZ, Потсдам), используя как эксперимент, так и теорию, обнаружили, что значимым фактором при формировании алмазов могут быть слабые электрические поля. Об этом они сообщили в журнале «Science Advances» (DOI: 10.1126/sciadv.abb4644).

В мантии Земли температура достаточно высока, поэтому многие соединения там находятся в расплавленном состоянии. Поскольку расплавы могут иметь высокую электропроводность, исследователи под руководством заведующего лабораторией экспериментальной минералогии и кристаллогенезиса ИГМ СО РАН, доктора геолого-минералогических наук Юрия Николаевича Пальянова выдвинули гипотезу, что в формировании алмазов в мантии Земли может участвовать электрохимический процесс. Они разработали модель образования алмазов, в которой центральную роль играют сильно локализованные (то есть ограниченные в пространстве) электрические поля, возникающие из-за колебаний магнитного поля Земли или неоднородности так называемого окислительно-восстановительного состояния мантии планеты. Согласно этой концепции, напряжение менее одного вольта, ниже, чем у большинства бытовых батареек, высвобождает электроны, которые запускают процесс химического преобразования. При этом сначала образуется углекислый флюид (СО2), затем он в результате ряда химических реакций превращается в алмаз.

Чтобы проверить свою теорию, российские специалисты разработали сложную экспериментальную установку. Платиновую капсулу размером около половины кубического сантиметра, окружённую системой нагрева, помещали в аппарат, способный создавать очень высокое давление, превышающее 7,5 ГПа. В капсулу, заполненную карбонатным или карбонатно-силикатным веществом, были введены крошечные, специально сконструированные электроды. Многочисленные эксперименты проведены при температурах от 1300 до 1600°C, некоторые из них длились до 40 часов. «Экспериментальные установки в Новосибирске впечатляют», — оценил Майкл Виденбек, руководитель лаборатории SIMS в GFZ, который сотрудничает с российскими исследователями более десяти лет.

Эксперименты, проведённые в Новосибирске, показали, что алмазы действительно растут вблизи отрицательного электрода, причём только при приложении напряжения. Для этого было достаточно весьма небольшого напряжения, всего полвольта. В данном процессе обогащённый карбонатом расплав служит как источником углерода, так и средой кристаллизации для алмаза, который образуется в комплексе с минералами мантии вблизи катода.

Размер синтезированных кристаллов алмаза не превышал одной пятой миллиметра, что меньше типичной песчинки. Кроме того, как и ожидалось, в экспериментах, проведённых при более низких давлениях, было обнаружено образование другого углеродного минерала — графита. Дополнительное доказательство нового механизма было получено, когда исследователи поменяли местами катод и анод — алмазы и в этом случае выросли на отрицательном электроде. Без подачи напряжения в капсуле не образовывались ни графит, ни алмазы.

Для того чтобы очень точно охарактеризовать изотопный состав синтезированных алмазов, исследователи из Потсдама использовали масс-спектрометрию вторичных ионов. Потсдамский инструмент — узкоспециализированный масс-спектрометр, предоставляющий геофизикам со всего мира высокоточные данные по очень маленьким образцам.

С поверхности алмаза, полученного в новосибирской лаборатории, с помощью точно нацеленного ионного пучка выбили небольшое количество вещества, менее одной миллиардной грамма. Образовавшиеся вторичные ионы инжектировали в шестиметровый масс-спектрометр, в котором удаётся не только разделять химические элементы, но и различать изотопы — более лёгкие или тяжёлые варианты одного элемента. Анализ показал, что соотношение между изотопами углерода 13C и 12C ведёт себя в точности согласно модели, разработанной российскими физиками.

Полученные результаты и разработанная методика могут оказаться весьма важными для понимания глобального углеродного цикла. На их основе возможна разработка новых технологий синтеза искусственных алмазов и углеродных материалов с заданными свойствами.

Исследование поддержано грантом Российского научного фонда.

По материалам Немецкого центра наук о Земле (Helmholtz-Zentrum Potsdam — Deutsches GeoForschungsZentrum).

 

Читайте в любое время

Портал журнала «Наука и жизнь» использует файлы cookie. Продолжая пользоваться порталом, вы соглашаетесь с хранением и использованием порталом и партнёрскими сайтами файлов cookie на вашем устройстве. Подробнее

Товар добавлен в корзину

Оформить заказ

или продолжить покупки