Алмаз, как и графит, представляет собой особую форму углерода. Его кубическая кристаллическая структура и прочные химические связи придают ему уникальную твердость. На протяжении тысячелетий его также ценили как инструмент и как предмет красоты. Только в 1950-х годах впервые стало возможным искусственное производство алмазов.
Большинство природных алмазов образуются в мантии Земли на глубине не менее 150 километров, где преобладают температуры, превышающие 1500 градусов по Цельсию, и чрезвычайно высокое давление в несколько гигапаскалей - более чем в 10 000 раз выше давления хорошо надутого велосипедная шина. Существуют разные теории точных механизмов, ответственных за их формирование. Исходным материалом являются карбонатные расплавы, т.е. соединения магния, кальция или кремния, богатые как кислородом, так и углеродом.
Новый путь образования алмазов
В связи с тем, что в мантии Земли протекают электрохимические процессы и находящиеся там расплавы и жидкости могут иметь высокую электропроводность, исследователи под руководством Юрия Пальянова из Института геологии и минералогии им. В. С. Соболева СО РАН Новосибирской академии наук разработана модель образования алмазов, в которой центральную роль играют сильно локализованные электрические поля. Согласно этой концепции, при подаче менее одного вольта - напряжения ниже, чем у большинства бытовых батарей - образуются электроны, запускающие процесс химического превращения. Эти доступные электроны позволяют некоторым углеродно-кислородным соединениям карбонатов превращаться в CO2 в результате ряда химических реакций, что в конечном итоге приводит к чистому углероду в форме алмаза.
Чтобы проверить свою теорию, российская исследовательская группа разработала сложную экспериментальную установку: платиновая капсула миллиметрового размера была окружена системой нагрева, которая, в свою очередь, была помещена в аппарат высокого давления, необходимый для создания огромного давления до до 7,5 гигапаскалей. Крошечные, тщательно сконструированные электроды вели в капсулу, заполненную карбонатными или карбонатно-силикатными порошками. Многочисленные эксперименты проводились при температурах от 1300 до 1600°C, некоторые из них продолжались до 40 часов.
Алмазы растут только с напряжением
Эксперименты, проведенные в Новосибирске, показали, как и предсказывалось, крошечные алмазы растут вблизи отрицательного электрода в течение нескольких часов, но это происходило только при подаче небольшого напряжения; Полвольта уже было достаточно. При диаметре, достигающем максимум 200 микрометров, то есть одной пятой миллиметра, новообразованные кристаллы были меньше, чем типичная песчинка. Кроме того, как и ожидалось, в экспериментах, проведенных при более низких давлениях, было обнаружено, что графит образуется из другого чисто углеродного минерала. Дальнейшее доказательство нового механизма появилось, когда исследователь поменял полярность напряжения - алмазы выросли на другом электроде, как и ожидалось. Без подачи напряжения извне в капсулу не образовывались ни графит, ни алмазы. Рядом с алмазами были обнаружены и другие минералы, связанные с глубинной мантией Земли.
«Экспериментальные установки в Новосибирске просто впечатляют», - говорит Михаэль Виденбек, руководитель лаборатории SIMS в GFZ, которая является частью Потсдамской модульной инфраструктуры наук о Земле (MESI). Сотрудничает с российскими исследователями более десяти лет; он вместе с инженером лаборатории SIMS Фредериком Куффиньялем проанализировал алмазы, произведенные их российскими коллегами. Для того, чтобы определить, насколько верна теория Юрия Пальянова об образовании алмазов, необходимо было очень точно охарактеризовать изотопный состав алмазов.
Точный анализ «сделано в Потсдаме»
Исследователи из Потсдама использовали для этой цели масс-спектрометрию вторичных ионов (SIMS). Прибор Potsdam представляет собой узкоспециализированный масс-спектрометр, предоставляющий геологам со всего мира высокоточные данные по очень маленьким образцам. «С помощью этой технологии мы можем с большой точностью определять состав крошечных участков на субмиллиметровых образцах», - говорит Виденбек. Таким образом, менее одной миллиардной доли грамма из произведенного в лаборатории алмаза необходимо было удалить с помощью очень точно нацеленного ионного луча. Затем электрически заряженные атомы вводились в аппарат длиной шесть метров, который разделял каждую миллиарды частиц в зависимости от их индивидуальной массы. Эта технология позволяет разделять химические элементы и, в частности, различать их более легкие или более тяжелые варианты, известные как изотопы. «Так мы показали, что соотношение между изотопами углерода 13С и 12С ведет себя точно по модели, разработанной нашими коллегами в Новосибирске. Этим мы, так сказать, внесли последний кусочек головоломки в подтверждение этой теории», - говорит Виденбек. Однако следует отметить, что этот новый метод не подходит для массового производства крупных искусственных алмазов.
«Наши результаты ясно показывают, что электрические поля следует рассматривать как важный дополнительный фактор, влияющий на кристаллизацию алмазов. Это наблюдение может оказаться весьма важным для понимания сдвигов соотношения изотопов углерода в глобальном углеродном цикле», - Юрий Подводит итог Полянов.