פרדיגמה מאתגרת גילוי: יהלומים שגדלו ללא לחץ גבוה

מדענים יצרו מערכת סגסוגת מתכת נוזלית חדשה לייצור יהלומים בתנאים מתונים.

הידעתם ש-99% מהיהלומים הסינתטיים מיוצרים בשיטות בלחץ גבוה ובטמפרטורה גבוהה (HPHT)? האמונה הרווחת היא שניתן לגדל יהלומים רק עם זרזי מתכת נוזליים בלחצים של 5-6 ג'יגה-פסקל (כ-50,000-60,000 אטמוספרות) ובטמפרטורות שבין 1300-1600 מעלות צלזיוס. עם זאת, גודלם של יהלומים המיוצרים באמצעות HPHT מוגבל בדרך כלל לסנטימטר מעוקב אחד בשל מגבלות התהליך.

כלומר – השגת לחצים גבוהים כאלה יכולה להיעשות רק בקנה מידה קטן יחסית של אורך. גילוי שיטות חלופיות לייצור יהלומים במתכת נוזלית בתנאים מתונים יותר (במיוחד בלחץ נמוך יותר) הוא אתגר מדעי בסיסי מסקרן שאם יושג עלול לחולל מהפכה בייצור היהלומים. האם ניתן לערער על הפרדיגמה הרווחת?

צוות חוקרים בראשות המנהל רוד רואף במרכז לחומרי פחמן רב-ממדיים (CMCM) במסגרת המכון למדע בסיסי (IBS), כולל סטודנטים לתארים מתקדמים במכון הלאומי למדע וטכנולוגיה של אולסן (UNIST), גידל יהלומים בתנאים בלחץ של 1 אטמוספירה וב-1025 מעלות צלזיוס באמצעות מתכת נוזלית סַגסוֹגֶת מורכב מגאליום, ברזל, ניקל וסיליקון, ובכך לשבור את הפרדיגמה הקיימת. גילוי שיטת הצמיחה החדשה הזו פותח אפשרויות רבות ללימודי מדע בסיסיים נוספים ולהגדלת הצמיחה של יהלומים בדרכים חדשות.

שיפור היעילות הניסויית

הבמאי רואף, שהוא גם פרופסור נכבד UNIST מציין, "פריצת הדרך החלוצית הזו הייתה תוצאה של כושר המצאה אנושי, מאמצים בלתי פוסקים ושיתוף פעולה מרוכז של משתפי פעולה רבים". חוקרים בראשות Ruoff ערכו סדרה של ניסויים, שכללו כמה מאות התאמות פרמטרים ומגוון גישות ניסיוניות לפני שהצליחו לבסוף לגדל יהלומים באמצעות מערכת ואקום בקיר קר 'ביתי'.

Ruoff מציין "הרצנו את המחקרים הפרמטריים שלנו בתא גדול (ששמו RSR-A עם נפח פנימי של 100 ליטר) והחיפוש שלנו אחר פרמטרים שיניבו צמיחה של יהלום הואט בגלל הזמן הדרוש לשאיבת אוויר ( כ-3 דקות), טהר עם גז אינרטי (90 דקות), ולאחר מכן שאיבה מטה שוב לרמת ואקום (3 דקות) כך שניתן יהיה למלא את החדר בלחץ 1 אטמוספירה של תערובת מימן/מתאן טהורה למדי (שוב 90 דקות) ; כלומר יותר מ-3 שעות לפני שניתן היה להתחיל את הניסוי! ביקשתי מד"ר וון קיונג SEONG לתכנן ולבנות תא קטן בהרבה כדי לצמצם מאוד את הזמן הדרוש כדי להתחיל (ולסיים!) את הניסוי עם המתכת הנוזלית החשופה לתערובת של מתאן ומימן". Seong מוסיף, "מערכת הבית החדשה שלנו (ששמה RSR-S, עם נפח פנימי של 9 ליטר בלבד) ניתנת לשאיבה החוצה, לטהר, לשאוב החוצה ולמלא בתערובת מתאן/מימן, בזמן כולל של 15 דקות. המחקרים הפרמטריים הואצו מאוד, וזה עזר לנו לגלות את הפרמטרים שעבורם יהלום גדל במתכת הנוזלית!"

הצוות גילה שיהלום גדל בתת-השטח של סגסוגת מתכת נוזלית המורכבת מתערובת של 77.75/11.00/11.00/0.25 (אחוזים אטומיים) של גליום/ניקל/ברזל/סיליקון כאשר הוא נחשף למתאן ומימן בלחץ של 1 אטום ב ~1025 מעלות צלזיוס.

יאן גונג, סטודנט לתואר שני של UNIST ומחבר ראשון, מסביר "יום אחד עם מערכת ה-RSR-S כאשר הפעלתי את הניסוי ולאחר מכן קיררתי את כור היתוך הגרפיט כדי למצק את המתכת הנוזלית, והסרתי את חלק המתכת הנוזלי שהתמצק, הבחנתי ב' תבנית קשת' מתפרסת על פני כמה מילימטרים על המשטח התחתון של היצירה הזו. גילינו שצבעי הקשת נבעו מיהלומים! זה איפשר לנו לזהות פרמטרים שהעדיפו את הצמיחה הניתנת לשחזור של יהלום".

ההיווצרות הראשונית מתרחשת ללא צורך ביהלום או חלקיקי זרעים אחרים הנפוצים בשיטות סינתזה קונבנציונליות של HPHT ותצהיר אדים כימיים. לאחר היווצרותם, חלקיקי היהלום מתמזגים ליצירת סרט, שניתן לנתק בקלות ולהעבירו למצעים אחרים, למחקרים נוספים ויישומים פוטנציאליים.

מדידות עקיפות קרני רנטגן סינכרוטרון דו-ממדיות אישרו שלסרט היהלום המסונתז יש טוהר גבוה מאוד של שלב היהלום. היבט מסקרן נוסף הוא הנוכחות של מרכזי צבע פנויים לסיליקון במבנה היהלום, שכן נמצא קו אפס פונון אינטנסיבי ב-738.5 ננומטר בספקטרום הפוטו-לומיננסנציה הנרגש באמצעות לייזר של 532 ננומטר.

מחבר שותף ד"ר Meihui WANG מציין, "יהלום המסונתז הזה עם מרכזי צבע פנויים של סיליקון עשוי למצוא יישומים בחישה מגנטית וב מחשוב קוונטי."

מנגנונים ותובנה תיאורטית

צוות המחקר התעמק במנגנונים אפשריים של יהלומים להיווצר גרעין ולגדול בתנאים חדשים אלה. הדמיה של מיקרוסקופ אלקטרונים עם רזולוציה גבוהה (TEM) על חתכים של הדגימות הראתה אזור תת-קרקעי אמורפי בעובי של 30-40 ננומטר במתכת הנוזלית המוצקה שהייתה במגע ישיר עם היהלומים. מחבר שותף ד"ר Myeonggi CHOE מציין, "כ-27 אחוז מהאטומים שהיו נוכחים במשטח העליון של אזור אמורפי זה היו אטומי פחמן, כאשר ריכוז הפחמן יורד עם העומק."

Ruoff מפרט, "הנוכחות של ריכוז כה גבוה של פחמן 'מומס' בסגסוגת עשירה בגליום עלולה להיות בלתי צפויה, מכיוון שדווח כי פחמן אינו מסיס בגליום. זה עשוי להסביר מדוע אזור זה הוא אמורפי – בעוד שכל שאר האזורים של המתכת הנוזלית המוצקה הם גבישיים. האזור התת-קרקעי הזה הוא המקום שבו היהלומים שלנו מתגלעים וגדלים ולכן התמקדנו בו".

חוקרים חשפו את המתכת הנוזלית Ga-Fe-Ni-Si למתאן/מימן לפרקי זמן קצרים כדי לנסות להבין את שלב הצמיחה המוקדם – הרבה לפני היווצרות סרט יהלום רציף. לאחר מכן הם ניתחו את ריכוזי הפחמן באזורים התת-קרקעיים תוך שימוש בפרופיל עומק של ספקטרומטריית מסה של יונים משניים בזמן הטיסה. לאחר ריצה של 10 דקות, לא ניכרו חלקיקי יהלום, אך היו 65% אטומי פחמן באזור שבו היהלום גדל בדרך כלל. חלקיקי יהלום החלו להימצא לאחר ריצה של 15 דקות, והיה מתחת לפני השטח C אָטוֹם ריכוז של ~27 אט%.

רווף מסביר, "ריכוז אטומי הפחמן התת-קרקעי הוא כל כך גבוה בסביבות 10 דקות, שהזמן הזה החשיפה קרובה לרוויה-על, מה שמוביל לגרעין של יהלומים לאחר 10 דקות או מתישהו בין 10 ל-15 דקות. הצמיחה של חלקיקי יהלום צפויה להתרחש במהירות רבה לאחר גרעין, בזמן מסוים בין כ-10 דקות ל-15 דקות".

הטמפרטורה ב-27 מקומות שונים במתכת הנוזלית נמדדה עם חיבור לתא הגידול בעל מערך של תשעה צמדים תרמיים שתוכנן ונבנה על ידי Seong. האזור המרכזי של המתכת הנוזלית נמצא בטמפרטורה נמוכה יותר בהשוואה לפינות ודפנות החדר. נהוג לחשוב ששיפוע טמפרטורה זה הוא המניע את דיפוזיית הפחמן לעבר האזור המרכזי, ומקל על צמיחת יהלומים.

הצוות גם גילה שסיליקון ממלא תפקיד קריטי בצמיחה החדשה הזו של יהלום. גודלם של היהלומים הגדלים הופך קטן יותר וצפיפותם גבוהה יותר ככל שריכוז הסיליקון בסגסוגת גדל מהערך האופטימלי. לא ניתן היה לגדל יהלומים כלל ללא תוספת של סיליקון, מה שמצביע על כך שסיליקון עשוי להיות מעורב בגרעין הראשוני של היהלום.

זה נתמך על ידי החישובים התיאורטיים השונים שנערכו כדי לחשוף את הגורמים שעשויים להיות אחראים לצמיחת יהלומים בסביבת מתכת נוזלית חדשה זו. חוקרים מצאו שסיליקון מקדם היווצרות וייצוב של צבירי פחמן מסוימים על ידי יצירת sp³ קשרים כמו פחמן. נהוג לחשוב שצבירי פחמן קטנים המכילים אטומי Si עשויים לשמש כ'קדם-גרעינים', שיכולים לאחר מכן לצמוח עוד יותר וליצור גרעין של יהלום. ההערכה היא שטווח הגודל הסביר של גרעין ראשוני הוא סביב 20 עד 50 אטומים C.

רואף אומר, "הגילוי שלנו של גרעין וצמיחה של יהלום במתכת נוזלית זו הוא מרתק ומציע הזדמנויות רבות ומרגשות למדע בסיסי יותר. אנחנו עכשיו בוחנים מתי גרעין, ובכך הצמיחה המהירה שלאחר מכן של יהלום, מתרחשת. גם ניסויים של 'ירידה בטמפרטורה' שבהם אנו משיגים לראשונה רוויה-על של פחמן ואלמנטים נחוצים אחרים, ולאחר מכן הורדה מהירה של הטמפרטורה כדי להפעיל גרעין – הם כמה מחקרים שנראים לנו מבטיחים."

הצוות גילה ששיטת הגידול שלהם מציעה גמישות משמעותית בהרכב המתכות הנוזליות. החוקר ד"ר דה לואו מעיר, "הצמיחה האופטימלית שלנו הושגה באמצעות הסגסוגת הנוזלית גליום/ניקל/ברזל/סיליקון. עם זאת, מצאנו גם שניתן לגדל יהלום איכותי על ידי החלפת ניקל בקובלט או על ידי החלפת גליום בתערובת גליום אינדיום".

רווף מסכם, "ייתכן שמגדלים יהלומים במגוון רחב של סגסוגות מתכת נוזליות בנקודת התכה נמוכה יחסית, כגון המכילות אחד או יותר של אינדיום, בדיל, עופרת, ביסמוט, גליום, ופוטנציאל אנטימון וטלוריום – וכוללים בסגסוגת מותכת אחרת. אלמנטים כמו מנגן, ברזל, ניקל, קובלט וכן הלאה כזרזים, ואחרים כחומרי דופם המניבים מרכזי צבע. ויש מגוון רחב של מבשרי פחמן זמין מלבד מתאן (גזים שונים, וגם פחמנים מוצקים). עיצובים ושיטות חדשות להחדרת אטומי פחמן ו/או צבירי פחמן קטנים למתכות נוזליות לצמיחת יהלומים יהיו בוודאי חשובים, והיצירתיות והתחכום הטכני של קהילת המחקר העולמית נראה לי צפויים, בהתבסס על הגילוי שלנו, להוביל במהירות ל גישות קשורות אחרות ותצורות ניסיוניות. יש הרבה אפיקים מסקרנים לחקור!"