Ce nubbin sur la surface plane d'un diamant gemme (en haut) est un diamant nanocristallin, la moitié de la largeur d'un cheveu humain moyen. Un grossissement plus élevé (en bas) montre la structure granulaire du diamant nanocristallin. Crédit :UAB
En utilisant un diamant nanocristallin construit par dépôt en phase vapeur plasma, Yogesh Vohra, Doctorat., a déjà produit une pression près de deux fois supérieure à celle trouvée au centre de la Terre.
Maintenant, il rapporte, dans une étude publiée dans Rapports scientifiques , que le procédé de fabrication de ces romans, les micro-enclumes en diamant nanocristallin se sont avérées "remarquablement cohérentes" et démontrent "un niveau élevé de reproductibilité dans la fabrication".
Ces résultats sont encourageants pour la poursuite des recherches visant à étudier les matériaux dans des conditions extrêmes de pression et de température, dit Vohra, professeur et universitaire en physique au UAB College of Arts and Sciences de l'Université d'Alabama à Birmingham.
Le diamant nanocristallin ressemble à un minuscule noyau de matériau cultivé sur la surface plate d'un diamant gemme d'un tiers de carat. Pour construire le nubbin, le diamant gemme est recouvert d'une fine couche de tungstène qui a un cercle de 15 à 20 micromètres gravé au centre. Le diamant nanocristallin commence à se développer sous forme de minuscules grains de diamant dans ce cercle au-dessus de la surface du diamant gemme. Les grains se forment par dépôt en phase vapeur à partir d'un plasma fabriqué en chauffant du méthane, l'hydrogène et l'azote gazeux.
Le plasma est un chaud, substance gazeuse ionisée qui est le quatrième état de la matière après les liquides, solides et gazeux. Les grains de diamant nanocristallin ont généralement une taille comprise entre 5 et 100 nanomètres.
Vohra et ses collègues de l'UAB ont examiné les morphologies de nucléation à un stade précoce des nanocristaux, trois et 15 minutes après le début de la synthèse. Ils ont découvert que la nucléation des diamants nanocristallins commence rapidement, et sans avoir besoin d'ensemencement de surface de pré-croissance avec de minuscules grains de diamant. En revanche, un tel ensemencement est requis pour la croissance du diamant sur certaines autres surfaces.
Le diamant gemme monocristallin se trouve sur un microscope sous lumière laser. Crédit :UAB
Après seulement une minute de croissance, des images au microscope électronique ont montré des sites de nucléation substantiels à la surface de l'enclume de diamant gemme monocristalline. A trois minutes, seules de petites zones de la surface de la gemme manquaient de couverture de diamant nanocristallin, et par 15 minutes, il y avait une couverture complète et uniforme par des grains nanocristallins qui commencent à s'agglutiner sur toute la région de croissance.
La croissance a ralenti entre trois et six heures, et le diamant nanocristallin avait tendance à fusionner en une structure hémisphérique. Vohra dit que cette géométrie a été observée de manière cohérente au cours de chaque expérience de croissance en deux étapes réalisée par les chercheurs de l'UAB. En outre, il semble y avoir une limite géométrique aux dimensions totales de la croissance.
Le noyau nanocristallin améliore considérablement les pressions réalisables avec les micro-enclumes en diamant. Diamants gemmes monocristallins d'une taille de culet de 300 microns, sans le noyau nanocristallin, ne peut générer que 75 gigapascals de pression. Lorsque le diamant nanocristallin est ajouté, les micro-enclumes peuvent générer jusqu'à 500 gigapascals de pression. Les chercheurs de l'UAB espèrent atteindre une pression de 1, 000 gigapascals, ou un téapascal, de pression avec leurs micro-enclumes en diamant nanocristallin. C'est proche de la pression au centre de la planète Saturne.
Cette immense pression peut potentiellement créer de nouveaux matériaux encore inconnus et est également utilisée pour étudier les changements de phase et le comportement de compression des matériaux. Dans le monde naturel, des forces aussi immenses profondément sous terre peuvent transformer le carbone en diamants, ou de cendres volcaniques en ardoise.
L'équipe de l'UAB a également examiné des micro-enclumes en diamant nanocristallin qui présentaient un détachement lors de la compression et de la décompression dans un dispositif cellulaire à enclume en diamant. En utilisant la microscopie électronique à force, microscopie électronique à balayage et spectroscopie Raman, les chercheurs ont découvert que l'échec du détachement s'était produit dans la majeure partie de l'enclume en diamant gemme monocristalline sous la surface de la culette, pas à l'interface entre le diamant gemme et le noyau de diamant nanocristallin.
Cela a indiqué que la force d'adhérence interfaciale entre le diamant gemme et le noyau de diamant nanocristallin semble être substantielle, et que l'interface peut survivre à des contraintes de cisaillement ultra-élevées.
Vohra dit que les chercheurs de l'UAB poursuivront leurs études pour manipuler la taille des grains et la force d'adhérence à l'interface afin d'optimiser les micro-enclumes en diamant nanocristallin pour la recherche à haute pression.
