Penemuan Paradigma yang Menantang: Berlian Tumbuh Tanpa Tekanan Tinggi
Para peneliti telah memelopori metode untuk menumbuhkan berlian di bawah tekanan dan suhu rendah, merevolusi proses produksi berlian sintetis tradisional dan memperluas kemungkinan untuk kemajuan ilmiah dan teknologi.
Para ilmuwan telah menciptakan sistem paduan logam cair baru untuk memproduksi berlian dalam kondisi sedang.
Tahukah Anda bahwa 99% berlian sintetis diproduksi menggunakan metode tekanan tinggi dan suhu tinggi (HPHT)? Kepercayaan umum adalah bahwa berlian hanya dapat tumbuh dengan katalis logam cair pada tekanan 5-6 gigapascal (sekitar 50.000-60.000 atmosfer) dan suhu antara 1300-1600 °C. Namun, ukuran berlian yang diproduksi melalui HPHT biasanya dibatasi sekitar satu sentimeter kubik karena keterbatasan proses.
Artinya, mencapai tekanan tinggi seperti itu hanya dapat dilakukan pada skala panjang yang relatif kecil. Menemukan metode alternatif untuk membuat berlian dalam logam cair dalam kondisi yang lebih ringan (terutama pada tekanan rendah) merupakan tantangan sains dasar yang menarik yang jika tercapai dapat merevolusi pembuatan berlian. Dapatkah paradigma yang berlaku saat ini ditantang?
Sebuah tim peneliti yang dipimpin oleh Direktur Rod Ruoff di Pusat Materials Karbon Multidimensi (CMCM) dalam Institut Sains Dasar (IBS), termasuk mahasiswa pascasarjana di Institut Sains dan Teknologi Nasional Ulsan (UNIST), telah menumbuhkan berlian dalam kondisi tekanan 1 atmosfer dan pada 1025 °C menggunakan logam cair paduan terdiri dari galium, besi, nikel, dan silikon, sehingga mematahkan paradigma yang adaPenemuan metode pertumbuhan baru ini membuka banyak kemungkinan untuk studi sains dasar lebih lanjut dan untuk meningkatkan pertumbuhan berlian dengan cara baru.
Meningkatkan Efisiensi Eksperimental
Direktur Ruoff, yang juga seorang Profesor Terhormat UNIST mencatat, “Terobosan perintis ini merupakan hasil dari kecerdikan manusia, upaya yang tak henti-hentinya, dan kerja sama yang terpadu dari banyak kolaborator.” Para peneliti yang dipimpin oleh Ruoff melakukan serangkaian eksperimen, yang melibatkan beberapa ratus penyesuaian parameter dan berbagai pendekatan eksperimental sebelum mereka akhirnya berhasil menumbuhkan berlian menggunakan sistem vakum dinding dingin yang 'dibuat di rumah'.
Ruoff mencatat “Kami telah menjalankan studi parametrik kami di ruang besar (bernama RSR-A dengan quantity inside 100 liter) dan pencarian kami untuk parameter yang akan menghasilkan pertumbuhan berlian diperlambat karena waktu yang dibutuhkan untuk memompa keluar udara (sekitar 3 menit), membersihkan dengan fuel inert (90 menit), diikuti dengan pemompaan kembali ke tingkat vakum (3 menit) sehingga ruang tersebut kemudian dapat diisi dengan tekanan 1 atmosfer dari campuran hidrogen/metana yang cukup murni (lagi 90 menit); itu lebih dari 3 jam sebelum percobaan dapat dimulai! Saya meminta Dr. Received Kyung SEONG untuk merancang & membangun ruang yang jauh lebih kecil untuk mengurangi waktu yang dibutuhkan untuk memulai (dan menyelesaikan!) percobaan dengan logam cair yang terkena campuran metana dan hidrogen.” Seong menambahkan, “Sistem buatan rumah baru kami (bernama RSR-S, dengan quantity inside hanya 9 liter) dapat dipompa keluar, dibersihkan, dipompa keluar, dan diisi dengan campuran metana/hidrogen, dalam waktu complete 15 menit. Studi parametrik dipercepat secara signifikan, dan ini membantu kami menemukan parameter pertumbuhan berlian dalam logam cair!”
Pertumbuhan berlian dalam logam cair paduan di bawah tekanan 1 atmosfer. (a) Foto yang menunjukkan berlian yang tumbuh pada permukaan logam cair yang dipadatkan. (b) Citra optik dari lapisan berlian kontinu yang tumbuh pada permukaan logam cair yang dipadatkan. (c) Citra optik dari lapisan berlian yang dipindahkan pada kisi TEM Cu yang dilapisi lapisan karbon amorf berlubang Quantifoil. (d) Citra topografi mikroskopi gaya atom dari lapisan berlian yang dipindahkan pada kisi TEM Cu. (e) Citra TEM penampang dari partikel berlian tunggal yang tumbuh pada permukaan logam cair yang dipadatkan. (f) Citra TEM resolusi atom dari berlian yang tumbuh. (g) Citra mikroskopi elektron pemindaian yang menunjukkan berlian yang tumbuh (sebagian) terendam dalam logam cair yang dipadatkan. (h) Skema yang menunjukkan difusi karbon yang mengarah pada pertumbuhan berlian di permukaan bawah logam cair. Kredit: Institute for Primary Science
Tim tersebut menemukan bahwa berlian tumbuh di bawah permukaan paduan logam cair yang terdiri dari campuran 77,75/11,00/11,00/0,25 (persentase atom) galium/nikel/besi/silikon ketika terkena metana dan hidrogen di bawah tekanan 1 atm pada ~1025 °C.
Yan GONG, mahasiswa pascasarjana UNIST dan penulis pertama, menjelaskan, “Suatu hari dengan sistem RSR-S saat saya menjalankan eksperimen dan kemudian mendinginkan wadah grafit untuk memadatkan logam cair, dan mengeluarkan bagian logam cair yang telah dipadatkan, saya melihat 'pola pelangi' menyebar beberapa milimeter di permukaan bawah bagian ini. Kami menemukan bahwa warna pelangi itu disebabkan oleh berlian! Hal ini memungkinkan kami untuk mengidentifikasi parameter yang mendukung pertumbuhan berlian yang dapat direproduksi.”
Pembentukan awal terjadi tanpa memerlukan intan atau partikel benih lain yang umum digunakan dalam metode sintesis HPHT konvensional dan deposisi uap kimia. Setelah terbentuk, partikel intan bergabung membentuk lapisan tipis, yang dapat dengan mudah dilepaskan dan dipindahkan ke substrat lain, untuk penelitian lebih lanjut dan aplikasi potensial.
Pengukuran difraksi sinar-X dua dimensi sinkrotron mengkonfirmasi bahwa movie berlian yang disintesis memiliki kemurnian fase berlian yang sangat tinggi. Aspek menarik lainnya adalah adanya pusat warna kekosongan silikon dalam struktur berlian, ditemukan garis nol-fonon intens pada 738,5 nm dalam spektrum fotoluminesensi yang dieksitasi dengan menggunakan laser 532 nm.
Rekan penulis Dr. Meihui WANG mencatat, “Berlian sintetis dengan pusat warna kekosongan silikon ini dapat digunakan dalam penginderaan magnetik dan komputasi kuantum“.”
Mekanisme dan Wawasan Teoritis
Tim peneliti menyelidiki secara mendalam kemungkinan mekanisme bagi berlian untuk membentuk inti dan tumbuh dalam kondisi baru ini. Pencitraan mikroskop elektron transmisi (TEM) resolusi tinggi pada penampang sampel menunjukkan daerah bawah permukaan amorf setebal sekitar 30-40 nm dalam logam cair yang dipadatkan yang bersentuhan langsung dengan berlian. Rekan penulis Dr. Myeonggi CHOE mencatat, “Sekitar 27 persen atom yang ada di permukaan atas daerah amorf ini adalah atom karbon, dengan konsentrasi karbon menurun seiring dengan kedalaman.”
Ruoff menjelaskan, “Keberadaan konsentrasi karbon yang tinggi yang 'terlarut' dalam paduan yang kaya galium bisa jadi tidak terduga, karena karbon dilaporkan tidak larut dalam galium. Ini mungkin menjelaskan mengapa wilayah ini bersifat amorf—sementara semua wilayah lain dari logam cair yang dipadatkan bersifat kristal. Wilayah bawah permukaan ini adalah tempat berlian kami membentuk inti dan tumbuh dan dengan demikian kami berfokus padanya.”
Para peneliti memaparkan logam cair Ga-Fe-Ni-Si ke metana/hidrogen untuk waktu yang singkat untuk mencoba memahami tahap pertumbuhan awal—jauh sebelum terbentuknya lapisan berlian yang berkesinambungan. Mereka kemudian menganalisis konsentrasi karbon di wilayah bawah permukaan menggunakan spektrometri massa ion sekunder time-of-flight depth profiling. Setelah pengujian selama 10 menit, tidak ada partikel berlian yang terlihat tetapi terdapat ~65 atom karbon at% yang ada di wilayah tempat berlian biasanya tumbuh. Partikel berlian mulai ditemukan setelah pengujian selama 15 menit, dan terdapat karbon C di bawah permukaan yang lebih rendah. atom konsentrasi ~27 at%.
Berlian dengan berbagai morfologi tumbuh dalam kondisi pertumbuhan yang berbeda. (a) Pertumbuhan dengan menggunakan paduan logam cair Ga/Ni/Fe/Si (77,75/11,00/11,00/0,25 at%) dalam metana/hidrogen (rasio molar 1/20). (b) Pertumbuhan dengan menggunakan paduan logam cair Ga/Ni/Fe/Si (77,50/11,00/11,00/0,50 at%) dalam metana/hidrogen (rasio molar 1/20). (c) Pertumbuhan dengan menggunakan paduan logam cair Ga/In/Ni/Fe/Si (38,88/38,87/7,33/14,67/0,25 at%) dalam metana/hidrogen (rasio molar 1/20). (d) Pertumbuhan dengan menggunakan paduan logam cair Ga/Ni/Fe/Si (77,75/11,00/11,00/0,25 at%) di bawah metana/hidrogen (rasio molar 1/5). Kredit: Institute for Primary Science
Ruoff menjelaskan, “Konsentrasi atom karbon di bawah permukaan sangat tinggi sekitar 10 menit sehingga paparan waktu ini mendekati atau pada supersaturasi, yang menyebabkan nukleasi berlian baik pada 10 menit atau sekitar 10 hingga 15 menit. Pertumbuhan partikel berlian diperkirakan terjadi sangat cepat setelah nukleasi, sekitar 10 menit hingga 15 menit.”
Suhu di 27 lokasi berbeda dalam logam cair diukur dengan alat tambahan pada ruang pertumbuhan yang memiliki susunan sembilan termokopel yang dirancang dan dibangun oleh Seong. Wilayah tengah logam cair ditemukan memiliki suhu yang lebih rendah dibandingkan dengan sudut dan sisi ruang. Diperkirakan bahwa gradien suhu inilah yang mendorong difusi karbon menuju wilayah tengah, yang memfasilitasi pertumbuhan berlian.
Tim tersebut juga menemukan bahwa silikon memainkan peran penting dalam pertumbuhan baru berlian ini. Ukuran berlian yang tumbuh menjadi lebih kecil dan kepadatannya lebih tinggi karena konsentrasi silikon dalam paduan ditingkatkan dari nilai optimum. Berlian tidak dapat tumbuh sama sekali tanpa penambahan silikon, yang menunjukkan bahwa silikon mungkin terlibat dalam nukleasi awal berlian.
Hal ini didukung oleh berbagai perhitungan teoritis yang dilakukan untuk mengungkap faktor-faktor yang mungkin bertanggung jawab atas pertumbuhan berlian di lingkungan logam cair baru ini. Para peneliti menemukan bahwa silikon mendorong pembentukan dan stabilisasi gugus karbon tertentu dengan membentuk sebagian besar sp3 ikatan seperti karbon. Diperkirakan bahwa gugus karbon kecil yang mengandung atom Si dapat berfungsi sebagai 'pra-inti', yang kemudian dapat tumbuh lebih jauh untuk membentuk inti berlian. Diperkirakan bahwa kisaran ukuran yang mungkin untuk inti awal adalah sekitar 20 hingga 50 atom C.
Ruoff menyatakan, “Penemuan kami tentang nukleasi dan pertumbuhan berlian dalam logam cair ini sangat menarik dan menawarkan banyak peluang menarik untuk ilmu pengetahuan yang lebih mendasar. Kami sekarang sedang mengeksplorasi Kapan nukleasi, dan dengan demikian pertumbuhan berlian yang cepat, terjadi. Eksperimen 'penurunan suhu' juga terjadi, di mana kita pertama-tama mencapai kejenuhan karbon dan elemen lain yang dibutuhkan, diikuti dengan penurunan suhu yang cepat untuk memicu nukleasi—adalah beberapa penelitian yang tampaknya menjanjikan bagi kami.”
Tim menemukan bahwa metode pertumbuhan mereka menawarkan fleksibilitas yang signifikan dalam komposisi logam cair. Peneliti Dr. Da LUO berkomentar, “Pertumbuhan optimum kami dicapai dengan menggunakan paduan cair galium/nikel/besi/silikon. Namun, kami juga menemukan bahwa berlian berkualitas tinggi dapat tumbuh dengan mengganti nikel dengan kobalt atau dengan mengganti galium dengan campuran galium-indium.”
Ruoff menyimpulkan, “Berlian dapat tumbuh dalam berbagai macam paduan logam cair dengan titik leleh yang relatif rendah seperti yang mengandung satu atau lebih indium, timah, timbal, bismut, galium, dan mungkin antimon dan telurium—dan memasukkan unsur-unsur lain seperti mangan, besi, nikel, kobalt dan sebagainya ke dalam paduan cair sebagai katalis, dan yang lainnya sebagai dopan yang menghasilkan pusat warna. Dan ada berbagai macam prekursor karbon yang tersedia selain metana (berbagai fuel, dan juga karbon padat). Desain dan metode baru untuk memasukkan atom karbon dan/atau gugus karbon kecil ke dalam logam cair untuk pertumbuhan berlian pasti akan menjadi penting, dan kreativitas serta kecerdikan teknis dari komunitas penelitian di seluruh dunia tampaknya mungkin bagi saya, berdasarkan penemuan kami, untuk dengan cepat mengarah pada pendekatan terkait dan konfigurasi eksperimental lainnya. Ada banyak jalan menarik untuk dijelajahi!”
Referensi: “Pertumbuhan berlian dalam logam cair pada tekanan 1 atm” oleh Yan Gong, Da Luo, Myeonggi Choe, Yongchul Kim, Babu Ram, Mohammad Zafari, Received Kyung Seong, Pavel Bakharev, Meihui Wang, In Kee Park, Seulyi Lee, Tae Joo Shin, Zonghoon Lee, Geunsik Lee dan Rodney S. Ruoff, 24 April 2024, Alam.
Nomor Induk Kependudukan: 10.1038/s41586-024-07339-7
