Учеными Института физической химии и электрохимии имени А. Н. Фрумкина (ИФХЭ) РАН совместно с коллегами из Института физики высоких давлений имени Л. Ф. Верещагина (ИФВД) РАН и Института кристаллографии имени А. В. Шубникова (ИК) РАН впервые подробно изучен синтез алмаза из фторированного адамантана (C₁₀H₁₅F) при высоких давлениях и температурах. Выяснилось, что в данной системе синтез алмаза возможен при экстремально низких температурах, начиная с 420 °С.

Ученые исследовали поведение фторированного адамантана при давлениях 5,5–9 ГПа и температурах от 320 до 1300 °С. Эксперименты показали, что наноалмазы образовывались из фторадамантана уже при сравнительно мягких условиях – температуре 420 °С и давлении 5,5 ГПа. По всей видимости, зарождение наноалмазных зерен происходит посредством «сращивания» алмазоподобных молекул адамантана; атомы фтора играют роль катализатора данного процесса. При более высоких температурах возможно получение более крупных наноалмазных зерен; по всей видимости, в процессе их роста заметную роль играет массоперенос углеводородным флюидом.

Существуют два различных сценария трансформации фторадамантана в аллотропы углерода – с выделением водорода и с выделением летучих углеводородов. Эксперименты показали, что при температуре ниже 600 °С фторадамантан при карбонизации потерял около 25 % массы, что указывает на выделение водорода. При температуре выше 600 °С потеря массы составила 40 %, что указывает на выделение летучих углеводородов.

При низких температурах вместе с наноалмазами также формировался неупорядоченный графит. Химически активный фтор преимущественно реагирует с sp²-гибридизированным углеродом, что способствует росту кристалла алмаза.

Все синтезированные при постоянных температуре и давлении алмазы имеют наводороженную поверхность. Квантово-химические расчеты показали, что наноалмазы с химически чистой поверхностью и размером менее 2 нм должны спонтанно превращаться в фуллерено-подобные структуры. Наводораживание поверхности делает их стабильными.

Изучение алмазообразования при умеренных температурах и давлениях в богатой фтором среде может быть интересно для понимания процессов образования природных алмазов. В алмазоносных породах нередко присутствуют фтор-содержащие соединения; однако фтор обычно не рассматривали как одного из участников процесса алмазообразования из-за его химической активности и быстрого перехода в связанную форму.

«Хотя химическая активность связанного и свободного фтора радикально различается, в ряде геохимических обстановок фтор-содержащие соединения могут катализировать образование алмаза при низких параметрах «давление-температура. Очевидно, что сложно ожидать присутствия галогенированных адамантанов в мантии Земли, однако фтор-содержащие соединения играют заметную роль в ряде мантийных процессов; известны включения фтор-содержащих минералов в природных алмазах» – сказал главный научный сотрудник лаборатории новых физико-химических проблем ИФХЭ РАН, доктор химических наук, профессор РАН Андрей Альбертович Ширяев.

Синтез наноалмазов контролируемого размера при умеренных температурах и давлениях является важной задачей для широкого спектра материаловедческих и биомедицинских задач. В частности, этим методом можно синтезировать наноалмазы с совершенной кристаллической структурой. При внесении в такой кристалл оптически и электрически активных дефектов можно превратить наноалмазы, например, в точечные источники фотонов, что представляет большой интерес для биомедицины, квантовой оптики и других областей науки.

«Наши эксперименты указывают на возможное влияние фторсодержащих флюидов на синтез алмазов, особенно при низких температурах. Синтез наноалмазов из фторадамантана при сравнительно „мягких” условиях представляет большой интерес для фундаментального изучения и практического приложения», – подвел итог профессор Ширяев.

Материал подготовил Андрей Альбертович Ширяев, гл.н.с. лаборатории новых физико-химических проблем ИФХЭ РАН, д.х.н., профессор РАН.

Источник: Институт физической химии и электрохимии имени А. Н. Фрумкина РАН.