Алмаз превращается в графит

Специалисты Института химии твердого тела и механохимии СО РАН совместно с коллегами из Института гидродинамики им. М. А. Лаврентьева СО РАН, Центра коллективного пользования «Сибирский кольцевой источник фотонов» и ФИЦ «Институт катализа им. Г. К. Борескова СО РАН» изучают, как алмаз превращается в графит. Исследование важно для разработки новых технологий обработки алмазов и расширения их применения в технике. Статья об этом опубликована в журнале International Journal of Refractory Metals and Hard Materials.

При нормальных условиях алмаз — это метастабильное состояние углерода. Когда алмаз подвергается воздействию высоких температур при атмосферном давлении, он превращается в графит. Оказалось, что в первую очередь трансформация происходит с гранями кристалла, причем этот процесс идет вполне закономерно и предсказуемо. Частичное превращение в графит меняет структуру поверхности алмаза, что открывает новые возможности применения алмаза в современных устройствах и оборудовании.

«Чтобы изготовить инструменты или устройства с использованием алмазов, недостаточно просто ввести кристаллы в металл. Нужно закрепить их в металлической матрице. Главная сложность в том, что некоторые металлы (например, медь) плохо смачивают поверхность алмаза. Поэтому поверхность кристаллов сначала обрабатывают металлом, который смачивает алмаз или образует карбидные фазы, то есть твердые соединения металла с углеродом, улучшающие прочность сцепления. Например, если алмаз нужно соединить с медью в композите, то на поверхность кристаллов наносят тонкий слой железа или вольфрама. Формирование слоя графита на поверхности алмаза помогает надежно соединить его с металлом. Благодаря такому подходу алмаз крепко фиксируется в изделиях и выдерживает большие нагрузки», — рассказывает ведущий научный сотрудник ИХТТМ СО РАН доктор химических наук Борис Борисович Бохонов.

Коллектив ИХТТМ СО РАН занимается подготовкой поверхности алмазов перед их введением в композиты, а специалисты ИГиЛ СО РАН создают композитные образцы, объединяя модифицированные алмазы с металлической основой методом спекания. В ходе исследований был обнаружен ряд уникальных особенностей. Так, выяснилось, что покрытия могут формироваться селективно на определенных гранях искусственных алмазов.

Сейчас технологии позволяют целенаправленно наносить слой металла на квадраты или шестиугольники, формирующие поверхность кристалла. Это открывает интересные перспективы, ведь присутствие разных металлов на различных гранях способно придать материалам новые характеристики и варьировать их теплопроводность.

Процесс электроискрового спекания проводится в ИГиЛ СО РАН на специальной установке, работающей в условиях вакуума. Суть метода заключается в следующем: смесь порошков помещается в пресс-форму, где одновременно оказывается под давлением и подвергается воздействию электрического тока. Цель процедуры — создание композитного материала, состоящего из металлической основы и внедренных частиц алмаза.

«Исследование процесса превращения алмаза в графит сталкивается с рядом технических сложностей. Одна из основных проблем заключается в том, что образование графита создает условия для протекания электрического тока через образец. Контролировать значение проходящего тока становится проблематично, поскольку определенная его доля проходит и через графитовую оснастку. Из-за этих трудностей эксперименты по изучению графитизации алмаза проводились отдельно, в специальных высокотемпературных печах, где создавались условия высокого вакуума и температуры около 1600—1800 °C», — комментирует ведущий научный сотрудник ИГиЛ СО РАН доктор технических наук Дина Владимировна Дудина.

Для исследования использовались различные методы. Один из основных инструментов в данной работе — растровый электронный микроскоп. Для детального изучения структуры и морфологии полученных материалов дополнительно использовалась техника рентгеновской диагностики и оптическая микроскопия.

Сначала исследователи изучили процессы преобразования синтетического алмаза в графит и выявили, что графит формируется вдоль граней кристалла. Природные алмазы образуются глубоко под землей, примерно на глубинах 100—200 километров, при экстремально высоких температурах и давлениях. Искусственный алмаз получают в лабораторных условиях: используется установка с высоким давлением, специальные катализаторы и высокие температуры, а исходным веществом служит чистый углерод. Механизмы образования природных и синтетических алмазов различаются, соответственно, различия наблюдаются и в структуре кристаллов. 

«Мы планируем провести эксперименты с применением метода дифракции обратнорассеянных электронов, что позволит определить ориентацию графита относительно алмазной структуры. Сформулировать окончательные выводы станет возможным после исследования образцов с применением аналитических возможностей станции “Микрофокус” в Центре коллективного пользования “Сибирский кольцевой источник фотонов”», — отметил Борис Бохонов. 

При сравнении графитизации плоскогранных кристаллов природных алмазов и искусственных алмазов существенных различий не наблюдается. Обычно графитизация происходит упорядоченно: параллельно отдельным граням алмаза или под определенным углом к ним. Однако если рассмотреть кривогранные природные алмазы, то видно, что процесс превращения алмаза в графит идет по всей поверхности кристалла. Во всех случаях образующийся графит имеет ориентационное соответствие с кристаллом алмаза. 

Ученые заметили, что эта особенность позволяет управлять процессом формирования тонких слоев графена — материала, состоящего из отдельных атомов углерода, соединенных в сетку шестиугольников. Определив закономерности роста графита на алмазе, исследователи разработали метод нанесения графеновых покрытий на поверхности алмаза. Такие гибридные материалы демонстрируют высокую прочность и электрическую проводимость.

Материал подготовлен при поддержке гранта Минобрнауки России в рамках Десятилетия науки и технологий.

Ирина Баранова

Фото автора