Elmaslar yalnızca dünyadaki en pahalı değerli taşlar değildir; matkap uçlarından kuantum bilgisayarlara kadar bilim ve teknolojide de önemli kullanımları vardır. Bu nedenle araştırmacılar, gelişmiş kimyasal buhar biriktirme türleri de dahil olmak üzere elmasları sentezlemek için çeşitli yollar geliştirdiler. Ancak yapay elmasların yaklaşık %99'u, 1950'lerde General Electric'te geliştirilen bir tekniğin modifikasyonları kullanılarak üretiliyor. Bu, küçük bir tohum elmasının demir sülfit üzerine yerleştirilmesini ve 7GPa'da bir karbon kaynağının varlığında 1600°C'ye ısıtılmasını içerir. Sülfür eridikçe karbon kaynağı yavaş yavaş elmasa dönüşür ve orijinal tohumun etrafında büyür.

Yeni çalışma, sıvı galyumun metandan düşük sıcaklıkta grafen üretimini katalize ettiği 2017 tarihli bir makaleden ilham aldı. Ulsan'daki Temel Bilimler Enstitüsü'nden fiziksel kimyacı Rodney Ruoff, "Araştırmacılar, çalışmaları sırasında galyumda karbon yüzeyinin bulunduğuna dair dolaylı ama yine de ikna edici kanıtlar sunuyorlar" diyor. “Galyumun karbonla tamamen karışmaz olduğu algılanıyor ve bizmut, indiyum, kalay ve kurşun gibi diğer düşük erime noktalı metallerin de karbonla ikili faz diyagramları yok.”

Ruoff'un grubu, atmosferik basınçta tohumlardan büyük elmaslar yetiştirmek için galyumun kullanılıp kullanılamayacağını belirlemeye karar verdi. Bir deneyde araştırmacılar yanlışlıkla galyumun silikon dioksit substratının kesici kenarındaki silikonu çözmesine izin verdi. Ruoff'un grubundaki doktora öğrencisi Yan Gong, elmas kristalin kenarında küçük piramitlerin oluştuğunu fark etti. Ruoff, "Bu, silikonun bir şekilde önemli olduğunu anlamamıza yol açtı" diyor. Ancak bunu daha fazla geliştiremediler. “Daha fazla silikon eklersek bunun yerine silisyum karbür elde ederiz.”

Elmas durumu

Araştırmacılar daha sonra bir tohum eklemeden elmas yetiştirmeyi, silikon katkılı galyumu bir potada tutmayı ve 1000°C civarındaki sıcaklıklarda metan ve hidrojenle beslemeyi denediler. Grafitin galyumun tabanında biriktiğini buldular. Ruoff, galyumun karbona olan ilgisinin düşük olmasının muhtemelen gazların potanın pürüzlü kenarlarından aşağı doğru yayılmasına ve sıvı metalin altında grafit oluşturmasına olanak sağladığına inanıyor.

Araştırmacılar daha sonra galyum-silikon karışımına başka metaller eklemeyi denediler. Ruoff, “Galyum-silikon-demir kullanırsak sadece grafit elde ederiz” diyor. “Nikel ile aynı kombinasyonu kullanırsak farklı miktarda grafit elde edebiliriz ama yine de elmas elde edemeyiz. Ancak hem demir hem de nikel bir aradayken, Yan Gong bir gün gökkuşağı renginde bir bölge bulunca çok mutlu oldu ve şunu fark etti: "Vay canına! Bu aslında elmas”. Araştırmacılar daha sonra onlarca mikrometre çapında mümkün olan en iyi elmas filmlerini üretmek için parametrelerini optimize ettiler ve bunların kimyasal buhar biriktirmeyle üretilen ticari bir numuneden daha üstün olduğunu buldular.

Spektroskopik analiz, önemli miktarlarda karbonun yalnızca birkaç nanometreye nüfuz ettiğini ve elmasın içine bir miktar silikonun dahil edildiğini gösterdi; bu, silikon boşluğu kuantum hesaplaması gibi bazı uygulamalar için yararlı olabilir ve diğerlerinde potansiyel olarak sorunlu olabilir. Bununla birlikte, elmasların sıvı metaldeki ortam koşullarında kararlı mı yoksa yarı kararlı mı olduğu da dahil olmak üzere pek çok soru var. Ruoff, "Literatürde karbonun diğer bazı elementlerle birlikte üçlü faz diyagramlarının sıfır keşfini buluyorum; bu da birçok temel bilimin önünü açıyor" diyor. Karbon, sıvı metal olarak seçilen bu iki veya üç elementle nasıl davranacak?' Araştırmacılar, temel bilimin daha iyi anlaşılmasının, kendilerinin veya başkalarının, diğer iz elementleri içeren veya hiç iz element içermeyen elmaslar üretmesine olanak sağlayacağını umuyor. Ruoff, çalışmanın en büyük uygulamalarının nerede olabileceğini 'söylemek için henüz çok erken' diyor.

Avustralya'daki RMIT Üniversitesi'nden malzeme kimyacısı Torben Daeneke, çalışmanın büyük umut vaat ettiğine inanıyor. “Bunun yüzeylerde ince elmas kaplamalar geliştirmek için kullanılabileceği oldukça açık ve biz bunları her zaman kullanıyoruz” diyor. “Bunu örneğin kimyasal reaktörlerde korozyon önleyici kaplama olarak kullanmayı düşünebilirsiniz…. Galyum nispeten bol miktarda bulunan, toksik olmayan bir sıvı metaldir ve burada tek yapmanız gereken onu kaplamak istediğiniz yüzeye yerleştirmek ve üzerine biraz metan akıtmaktır.”

Daeneke, kimyadaki en büyük ilerlemenin katalizde yattığına inanıyor. “Metanı galyumla reaksiyona sokmak daha önce yapılmıştı, ama genellikle grafit karbon, amorf karbon veya bazen karbon nanotüpleri ortaya çıkıyor. Benim için gerçekten heyecan verici olan şey, tarife gerçekten ince ayar yapmış olmaları ve bunun sonucu tamamen değiştirmesi. Bu bana sıvı metal kataliziyle yapılacak daha çok şey olduğunu gösteriyor.”

Kaynak: https://www.chemistryworld.com/news/liquid-metal-synthesis-of-diamonds-achieved-at-atmospheric-pressure/4019405.article