Jarum berlian dari "ais" karbon

Jarum berlian dari “ais” karbon

Maxim Abaev, Calon Sains Kimia
"Sains dan Kehidupan" №3, 2017

Mungkin yang pertama meneka penggunaan berlian adalah perhiasan. Tetapi apabila sains dibangunkan untuk bentuk karbon allotropic berharga, terdapat penggunaan lain. Sebagai contoh, naturalis Perancis, Antoine Lavoisier, pada akhir abad ke-18, untuk kegembiraan orang ramai, dan walaupun lawan saintifiknya, dia membakar beberapa batu permata untuk menunjukkan ketidakseragaman teori pembakaran pada masa itu. Para penyelidik moden telah belajar bagaimana untuk mendapatkan berlian sendiri, dan sifat mereka kadang-kadang berubah menjadi sangat luar biasa.

Apabila mereka bercakap mengenai berlian buatan, ia mungkin kelihatan bahawa semua usaha adalah bertujuan untuk mempelajari cara mendapatkan permata besar di makmal. Malah, objek yang menarik adalah filem berlian berlian dan bahan serbuk yang terdiri daripada kristal kecil yang tidak boleh dilihat dengan mata kasar. Saiz mereka boleh puluhan atau bahkan ribuan kali kurang daripada satu milimeter. Filem berlian sangat menarik untuk pelbagai aplikasi praktikal kerana sifat-sifat kristal yang tidak biasa.

Kristal seperti jarum piramida yang diperoleh hasil daripada pemeluwapan karbon pada nukleus yang diedarkan ke atas permukaan substrat. Ilustrasi oleh Alexander Obraztsov, Universiti Negeri Moscow M. V. Lomonosova

Selain kekerasan rekod, kira-kira yang, mungkin, semua orang tahu, berlian mempunyai kekonduksian terma yang tinggi, beberapa kali lebih tinggi daripada kekonduksian terma tembaga. Di samping itu, berlian tulen (bebas daripada kecacatan dan kekotoran) adalah dielektrik yang baik. Dan dengan penambahan beberapa kekotoran, berlian menjadi semikonduktor dengan semua "akibat" untuk elektronik.

Diamond mempunyai satu lagi harta yang menarik – pertalian elektron negatif. Ini bermakna bahawa tenaga elektron pada permukaan berlian agak lebih besar daripada tenaga elektron pada jarak tertentu daripadanya. Sekiranya bahan yang mempunyai ciri tersebut diletakkan di dalam medan elektrik, maka elektron akan secara spontan "muncul" dari permukaannya. Pelepasan (atau pelepasan) elektron sedemikian berlaku tanpa kehilangan tenaga, oleh itu ia dipanggil "sejuk", berbeza dengan pelepasan termionik, yang memerlukan pemanasan bahan pemancar (katod) sering kepada suhu yang sangat tinggi.Pelepasan "panas" sedemikian diketahui oleh kami daripada kerja tiub elektron vakum, salah satu jenisnya ialah kineskop, yang baru-baru ini digunakan di televisyen dan pelbagai pameran. Potensi untuk "bebas" (iaitu, tanpa tenaga) penerimaan elektron telah menarik perhatian sejumlah besar penyelidik dan ahli teknologi yang terlibat dalam pembangunan peranti elektronik vakum.

Kristal berlian jarum berbentuk piramid terbentuk dalam bentuk "hedgehog" -druzy akibat pemeluwapan karbon pada embrio terpencil. Ilustrasi oleh Alexander Obraztsov, Universiti Negeri Moscow M. V. Lomonosova

Oleh kerana afiniti elektron negatif, berlian boleh digunakan untuk meningkatkan kecekapan peranti fotografi. Tetapi, seperti yang telah disebutkan, berlian adalah dielektrik, iaitu, ia tidak menjalankan arus elektrik yang baik, yang merupakan aliran elektron. Oleh itu, selepas pelepasan satu atau beberapa elektron, pelepasan terhenti sehingga elektron baru, menggantikan yang dipancarkan, dihantar ke permukaan dari dalam berlian. Walau bagaimanapun, penghantaran elektron memerlukan kekonduksian elektrik.Percubaan untuk memaksa berlian untuk menjalankan arus elektrik tanpa merosakkan kualiti berguna yang lain tidak membawa kepada kejayaan tertentu. Pengecualian mungkin membentuk lapisan atom nipis "berlian" di permukaan grafit konduktif. Ciri-ciri kuantum elektron membolehkan mereka mudah menembusi lapisan nipis seperti atom. Idea ini, yang dirumuskan lebih daripada 15 tahun yang lalu, baru-baru ini telah menerima pengesahan eksperimen terakhirnya.

Calon sains fizikal dan matematik, Viktor Kleshch, memasang pemancar berlian dalam persediaan pengukuran. Foto oleh Alexander Obraztsov, Universiti Negeri Moscow M. V. Lomonosova

Satu kemungkinan alternatif adalah menggunakan kekonduksian, yang selalu terdapat pada permukaan penebat apa pun. Dalam hal berlian tulen, kekonduksian dikaitkan dengan fakta bahawa, disebabkan kecacatan dalam struktur kristal (salah satu kecacatan adalah permukaan kristal itu sendiri), atom memperoleh sifat yang serupa dengan atom grafit – bentuk konduktif karbon. Oleh itu, lapisan nipis "grafit" pada permukaan berlian boleh memberikan bekalan elektron yang diperlukan ke titik yang mana "pelepasan" mereka berlaku.

Kemungkinan mendapatkan pelepasan "elektron" dari lapisan nipis "berlian" pada grafit dan dari berlian yang disalut dengan lapisan nipis "grafit" telah ditunjukkan secara eksperimen oleh penyelidik Fakulti Fizik Moscow State University. MV Lomonosov di bawah bimbingan Profesor, Doktor Sains Fizikal dan Matematik Alexander Obraztsova. Penyelesaian asal mereka adalah berdasarkan fakta bahawa kedua-dua grafit dan berlian terdiri daripada atom karbon yang sama, supaya bahan-bahan ini dapat berubah menjadi satu sama lain dengan perubahan struktur tertentu yang dapat dikendalikan oleh pemeluwapan karbon dari fasa gas. Lapisan lapisan nipis pada grafit diperolehi dengan mensintesis kristal grafit dengan ketebalan beberapa unit kepada puluhan nanometer, lapisan atomnya yang mempunyai selekoh pada tepi tajam. Lapisan nipis grafit pada berlian, yang menyediakan tahap kekonduksian elektrik yang diperlukan, terbentuk dalam kristal yang ditanam dalam bentuk jarum nipis dengan ketebalan kira-kira mikrometer dan panjang 50-100 mikrometer. Mereka boleh dipasang pada elektrod besar untuk sambungan ke sumber voltan.

Proses-proses yang digunakan untuk membentuk kristal jarum berlian mempunyai beberapa persamaan dengan pembentukan ais dari wap air.Di bawah keadaan tertentu, pembentukan ais mungkin terdiri daripada kristal seperti jarum individu, yang sering diperhatikan di permukaan tasik. Begitu juga, filem berlian boleh diperolehi sebagai set kristal seperti jarum.

Dalam kebanyakan kes, ia dianggap bahawa kualiti terbaik filem berlian dicapai apabila membentuk filem-filem kristal padat yang padat dengan saiz yang sama. Walau bagaimanapun, para penyelidik dari Moscow State University menunjukkan bahawa filem-filem sebelum ini dianggap sebagai "buruk" yang terdiri daripada campuran kristal pelbagai saiz dan karbon yang tidak teratur juga berguna. Fizik telah mencadangkan penyelesaian yang indah yang menggunakan fakta yang terkenal sejak masa Lavoisier apabila dipanaskan di udara, karbon dioksidakan, beralih menjadi gas oksida (CO) atau karbon dioksida (CO2). Selain itu, suhu pengoksidaan ketara bergantung kepada saiz dan kesempurnaan struktur bahan karbon. Untuk kristal berlian yang agak besar, ternyata lebih besar daripada untuk kristal yang lebih kecil dan untuk karbon tidak teratur. Oleh itu, untuk membuang semua bahan dari filem berlian "buruk"sebagai tambahan kepada kristal saiz terbesar, ia cukup untuk memanaskan bahan di udara atau dalam medium lain yang mengandung oksigen pada suhu tertentu. Setelah melaksanakan proses ini, kakitangan Jabatan Fizik Polimer dan Kristal Jabatan Fizik Universiti Negeri Moscow, yang merangkumi makmal A. Obraztsov, meningkatkan teknologi, yang memungkinkan untuk mengubah bentuk kristal seperti jarum.

Imej elektron-mikroskopis jarum berlian berasingan diperolehi dengan pemendapan filem dari fasa gas dengan pengoksidaan seterusnya di udara. Foto: Jurnal Luminescence

Kristal berlian jarum berbentuk jarum boleh memainkan peranan penting dalam penciptaan peranti kuantum-optik, yang mana ciri-ciri berlian berlian sangat penting. Ciri-ciri ini ditentukan oleh kehadiran kekotoran, di mana yang paling biasa adalah nitrogen. Kekotoran boleh dimasukkan ke dalam fasa gas yang digunakan untuk mendakan kristal berlian. Pengenalan kekotoran terkawal ke dalam kristal seperti jarum nipis, seperti penyelidik percaya, akan membolehkan seseorang mengendalikan sifat-sifat kuantum-optik berlian dan untuk mewujudkan asasnya asas unsur untuk komputer kuantum.


Like this post? Please share to your friends:
Tinggalkan Balasan

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: