Ученые узнали причины появления в алмазе включений твердого углекислого газа

При изучении кристаллов алмаза, в которых наблюдаются спектральные линии поглощения твердого углекислого газа, методом просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) было обнаружено большое количество наноразмерных кислородсодержащих выделений октаэдрической формы. В большинстве случаев эти объекты тесно связаны с дислокационными петлями. Это позволяет сделать вывод о том, что СО2-содержащие нанопреципитаты возникли не путем захвата углекислого газа во время роста кристалла, а путем выделения кислорода из алмазной решетки из-за уменьшения его растворимости при понижении давления и температуры.

ИФХЭ РАН

Самородок алмаза / ©Getty images / Автор: Euclio Drusus

Результаты опубликованы в Carbon Trends. Алмаз — кристалл, состоящий из чистого углерода. Одним из подходов, позволяющих получать информацию об условиях роста природных алмазов, является изучение примесей в алмазной решетке. Основное внимание традиционно направлено на изучение самых распространенных примесей – азота и водорода, информацию о которых можно получить неразрушающими спектроскопическими методами. Концентрация примесей, их пространственное распределение внутри кристалла и конкретные типы связанных с примесями дефектов решетки отражают температурные условия, химизм и особенности среды, в которых рос алмаз.

Кислород — один из самых распространенных элементов на Земле. В настоящее время нет окончательного ответа на вопрос, может ли примесь кислорода входить в решетку алмаза или же она всегда связана с включениями посторонних фаз. Квантово-химические расчеты показывают возможность образования точечных дефектов, содержащих кислород. Предположительно кислород входит в состав некоторых парамагнитных и люминесцирующих дефектов. Однако на настоящее время роль этой примеси остается плохо изученной.

В спектрах инфракрасного поглощения некоторых алмазов наблюдаются линии поглощения, соответствующие твердой углекислоте. Сдвиг полос поглощения от их положения при обычных условиях свидетельствует о том, что СО2 находится под высоким остаточным давлением, достигающем 5 ГПа и даже выше. Однако положение спектральных линий СО2 в разных частях одного и того же кристалла и, соответственно, рассчитанное давление, может меняться в довольно широких пределах, что довольно сложно объяснить в рамках модели захваченных включений ростовой среды.

Преципитаты под микроскопом / ©Пресс-служба ИФХЭ РАН

Ученые ИФХЭ РАН с коллегами из НИЦ «Курчатовский институт», МФТИ и GEMLAB Laboratory (Лихтенштейн) исследовали области кристалла, содержащие твердый углекислый газ, методом просвечивающей электронной микроскопии. Предварительно сС помощью ионного пучка из двух природных кристаллов алмаза были вырезаны тонкие образцы для исследования методом просвечивающей электронной микроскопии. Микроскопия образцов показала, что в них имеются многочисленные кислородсодержащие включения октаэдрической формы (от почти правильных до уплощенных вытянутых октаэдров) размером до 45 нанометров.

Большинство включений непосредственно связано с дислокационными петлями. «Приуроченность выделений к дислокационным петлям типично типична для распада твердых растворов, – объясняет главный научный сотрудник лаборатории новых физико-химических проблем ИФХЭ РАН, доктор химических наук, профессор РАН Андрей Альбертович Ширяев. – Следовательно, можно сделать вывод, что СО2 включения возникли в ходе выделения кислорода из алмазной решетки из-за уменьшения его растворимости при понижении давления и температуры». Морфология и точный химический состав включений зависят от того, как в ходе роста кристалла менялись давление, температура и насыщение кристаллической решетки кислородом.

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl + Enter.

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина Российской академии наук — один из ведущих химических институтов Российской академии наук. Насчитывает более 800 сотрудников, среди которых 7 академиков, 9 членов-корреспондентов РАН, более чем 100 профессоров и 260 кандидатов наук. Проводимые в ИФХЭ РАН фундаментальные и прикладные исследования характеризуются многопрофильностью и включают следующие научные направления: поверхностные явления в коллоидно-дисперсных системах, адсорбция, физико-химическая механика; супрамолекулярные и наноразмерные системы для использования в современных высоких технологиях; химическое сопротивление материалов, защита металлов и других материалов от коррозии и окисления; химия и технология радиоактивных элементов, радиоэкология и радиационная химия; электрохимия. Успехи сегодняшних исследований опираются на уникальную экспериментальную базу Центра Коллективного Пользования, позволяющую решать практически любую задачу физико-химического исследования вещества или свойств его поверхности разнообразными современными методами. В их числе: электронная микроскопия и рентгеновский микроанализ, рентгеноструктурный анализ, рентгеновское малоугловое рассеяние, атомно-адсорбционный анализ, эллипсометрия, аннигиляция позитронов, хромато-масс-спектрометрия, инфракрасная, рамановская, фотоэлектронная, электронная спектроскопия, ядерный магнитный резонанс.