Группа исследователей из Научно-исследовательского центра «Курчатовский институт», Института физической химии и электрохимии имени А. Н. Фрумкина, Санкт-Петербургского горного университета и Института геологии и геохимии Уральского отделения РАН детально изучила микроструктуру природного алмаза.
Пластины толщиной 1–3 нанометра
Кристалл происходит из кимберлитовой трубки «Юбилейная» в Якутии. В нём обнаружили неизвестные ранее наноразмерные полости, которые свидетельствуют о пластической деформации минерала при высоких температурах.
Наиболее интересный результат — новый тип протяжённых дефектов. Их можно представить как тонкие ромбические пластины толщиной 1–3 нанометра и размером до 20 нанометров. По сути это нанополости в кристаллической решётке.
В этих областях отсутствуют примесные элементы, хотя, возможно, присутствует водород. Анализ контраста на изображениях просвечивающего электронного микроскопа указал на необычное строение этих участков.
Помимо новых пластин, в кристалле нашли многочисленные дислокации — линейные нарушения правильного порядка атомов — и скопления точечных дефектов, возникших при движении дислокаций.
Условия рождения алмаза
Большинство природных алмазов образовались в мантии на глубине 150–250 километров при температурах от 900 до 1300 градусов и давлении в 50 тысяч раз выше атмосферного. Кристалл алмаза представляет собой трёхмерную сетку из тетраэдров, в центре и четырёх вершинах которых находятся атомы углерода.
В подавляющем большинстве природных алмазов присутствуют примеси: чаще всего азот, также водород и бор, изредка кремний и никель. При длительном нагреве атомы азота мигрируют и объединяются в пары и четвёрки, формируя так называемые A- и B-центры.
Нагрузка заставляет дислокации перемещаться. Когда две дислокации сближаются на критическое расстояние, они могут взаимно уничтожиться, а могут расти, образуя более сложные конфигурации. Именно так исследователи объясняют появление обнаруженных дефектов.
При этом механизм стабилизации и роста новых дефектов пока неясен — это признают сами авторы работы. Дальнейшие эксперименты должны показать, какие именно условия деформации закрепляют такие структуры в кристалле.
Зачем это нужно
Результаты важны для понимания минералогии алмаза и реконструкции условий его образования. Дефекты определяют многие физические свойства кристалла, в том числе придают ему окраску, поэтому их изучение помогает восстановить историю минерала.
Есть и прикладной интерес: понимание структуры дефектов открывает перспективы управления свойствами алмаза. Это важно для широкого спектра технологических приложений.
Работа выполнена коллективом из нескольких институтов, а одним из авторов исследования выступил доктор химических наук Андрей Ширяев. По его словам, обнаружение нового типа протяжённых дефектов — самый интересный результат этой работы.
Для столичной науки это ещё один пример кооперации академических институтов и университетов: микроструктуру кристалла изучали комплексом аналитических методов, позволяющих получать информацию о строении вещества на разных уровнях.
Что вы думаете об этом? Пишите в комментариях.