ダイヤモンドを成長させるには、26個の炭素原子で十分でした

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ビデオ: アルコールから大量のダイヤモンド合成に成功!【錬金術実験】Diamond Synthesis Experiment from Alcohol 2022, 12月
ダイヤモンドを成長させるには、26個の炭素原子で十分でした
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Anonim
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化学者は、気相からの合成中にダイヤモンドを成長させるために必要な、結晶核内の臨界原子数を実験的に決定した最初の人物でした。これは、わずか26個の炭素原子からなるかなり小さな分子クラスターであることが判明しました。核形成に対するエネルギー障壁は、古典的なモデルによって予測されたものよりも約4桁低いことが判明しました。国立科学アカデミーの議事録の記事で、科学者はこれらの結果が最近提案された多段階核形成のメカニズムを確認すると書いています。

液体または蒸気からの結晶成長の初期段階は核形成です。その間、過飽和気相または液相からの原子は小さな結晶核に集まり、それはさらに成長し続けるか、崩壊して戻る可能性があります。最初、これらの核は準安定状態にありますが、特定のサイズに達すると、それらのさらなる成長が有利になり、その結果、バルク結晶が徐々に形成され始めます。これらのプロセスは単結晶の合成において非常に重要であり、古典的な理論モデルの枠組みの中で詳細に説明されていますが、個々のケースの実験でこれらのモデルの適用性を原子レベルで検証することは事実上不可能です。今日使用されている方法の不十分な精度。

それにもかかわらず、気相からのダイヤモンドまたはシリコン結晶の合成において、実験的に測定された核形成速度は、古典的な理論によって予測されたものよりはるかに高いことが判明することが知られている。科学者によると、核形成の加速は、結晶形成の過程で中間の準安定段階が出現するために発生しますが、これまで実験的にこれらのメカニズムを証明することはできませんでした。

スタンフォード大学のニコラス・A・メロッシュが率いる米国、日本、チェコ共和国、ドイツ、ウクライナの化学者は、初めて、ダイヤモンド結晶の核形成のプロセスを原子レベルで研究することができました。これを行うために、科学者は気相からシリコン基板上に炭素原子を化学蒸着するプロセス(化学蒸着)を調べました。さらなる結晶成長に必要な準安定クラスター内の臨界原子数を決定するために、科学者は、10〜26個の炭素を含むダイヤモンドのような構造(これらの化合物の中で最も単純なものはアダマンタン)を持つ分子炭化水素クラスターを適用したいくつかの基板を使用しました原子。このような基板は、99%の水素と1%のメタンを含むガスプラズマに配置され、クラスターは堆積した炭素原子の準安定核として機能し、さらなる結晶成長を引き起こす可能性があります。

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左側は、化学蒸着用の設備の写真、個々の結晶の顕微鏡写真(上)、および結晶化速度のクラスター内の原子数への依存性(下)です。右-臨界​​サイズよりも小さく(上)、臨界サイズよりも大きい(下)粒子のクラスターを含む基板上に堆積した後の表面の写真

結晶化速度は、クラスター内の炭素原子の数に指数関数的に依存することが判明しました。この場合、結晶核のさらなる成長が気相への逆転移よりも有利であるクラスター内の臨界原子数はわずか26です(古典的な理論では数千の原子が予測されます)。科学者たちは、そのようなクラスターには、バルク相に起因する可能性のある単一の原子は存在しないことに注意しています-それらはすべて表面に非常に近いです。この場合、核形成に対するエネルギー障壁は約10〜20ジュールであり、これは古典的な核形成理論によると、本来あるべき値よりも4桁低くなっています。それにもかかわらず、原子の臨界数は、多段階の核形成メカニズムを示唆する最近提案されたモデル(古典的および非古典的の両方)と一致しています。

研究の著者によると、得られたデータは、これらのモデルのさらなる定量的開発に使用することができます。さらに、これらの結果は、気相からの堆積中にグラファイトではなくダイヤモンドの優先形成が発生する理由を説明しています。これは、既存のモデルでは説明できませんでした。少なくとも数千の原子。化学者は、研究結果は、ナノ粒子の合成、雲の形成、バイオミネラリゼーションのプロセスなど、核形成が重要な役割を果たす他のプロセスに役立つ可能性があると述べています。

原子レベルでの実験的研究の観点から、核形成と結晶成長だけでなく、逆のプロセスである溶解も興味深い。たとえば、最近、溶解プロセスが走査干渉法を使用して研究されました。これは、水中での結晶のゆっくりとした溶解がパルスで発生し、表面に沿ったリングマイクロ波の伝播につながることを示しました。

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