عملية جديدة تضمن بلورات الماس أكبر وأفضل جودة

طور باحثون من معهد كارنيجي طريقة مبتكرة لتحسين خصائص الماس، ليس فقط إضافة بريق إلى الأحجار الكريمة، ولكن أيضًا تبسيط عملية صنع شفرات الإزميل والمكونات الإلكترونية وحتى مكونات أجهزة الكمبيوتر الكمومية.

على الرغم من أن الماس يبقى إلى الأبد، إلا أن الخصائص نفسها التي تجعله مادة متفوقة للعديد من الأغراض - صلابته وشفافيته البصرية ومقاومته للمواد الكيميائية والإشعاع والمجالات الكهربائية - تجعله أيضًا مادة ليس من السهل معالجتها. يمكن تقليل عيوبه الهيكلية عن طريق عملية تسخين تسمى التلدين، لكن هذه العملية يمكن أن تحول الماس إلى جرافيت، وهو الشكل الناعم الرمادي من الكربون المستخدم في رؤوس أقلام الرصاص. ولمنع ذلك، كانت معالجة الألماس تتطلب في السابق ضغوطًا عالية أثناء التشكيل (تصل إلى ستين ألف ضعف الضغط الجوي)، الأمر الذي يجعل العملية برمتها باهظة الثمن ومحدودة أيضًا عندما يتعلق الأمر بأحجام وكميات الماس المعالج.

ونشرت نتائج البحث في أكتوبر في المجلة العلمية Proceedings of the National Academies of Science. استخدم عدد من الباحثين من المختبر الجيوفيزيائي التابع لمعهد كارنيجي طريقة تسمى "ترسيب البخار الكيميائي" (CVD) لتحضير الماس الاصطناعي لتجاربهم. على عكس الطرق الأخرى التي تحاكي الضغوط العالية الموجودة في أعماق الأرض حيث يتكون الألماس الطبيعي، فإنك بهذه الطريقة تحصل على ألماس أحادي البلورة عند ضغط منخفض. الماس الذي يتم الحصول عليه بهذه الطريقة، وبسرعة، له تركيبات محكمة وأقلية من العيوب.

وقام فريق البحث بعد ذلك بتليين هذا الماس عند درجة حرارة تصل إلى ألفي درجة مئوية باستخدام بلازما الميكروويف عند ضغوط أقل من الضغط الجوي. البلورات، التي يكون لونها الأصلي أصفر-بني، إذا تم الحصول عليها بمعدلات نمو عالية جدًا، تصبح عديمة اللون أو وردية. على الرغم من عدم وجود ضغط استقرار، لا يزال يحدث الحد الأدنى من الجرافيت. وباستخدام الأساليب التحليلية مثل التلألؤ الضوئي ومطيافية الامتصاص، تمكن الباحثون أيضًا من تحديد العيوب المحددة في البلورة المسؤولة عن تغيرات اللون. على وجه الخصوص، تم الحصول على اللون الوردي من خلال هياكل تسمى مراكز "النيتروجين الشاغر"، حيث تحل ذرة النيتروجين محل ذرة الكربون في الشبكة البلورية المجاورة لموقع شاغر.

يقول أحد الباحثين: "هذا التلدين، عند ضغط منخفض ودرجة حرارة عالية، يزيد من الخصائص البصرية لبلورات الماس هذه". "لقد لاحظنا انخفاضًا كبيرًا في كمية الإشعاع الممتص عبر الطيف من الضوء فوق البنفسجي إلى الضوء المرئي والأشعة تحت الحمراء. تمكنا أيضًا من تحديد أن التخفيض يرجع إلى تغيرات في البنية المعيبة ويرتبط بذرات الهيدروجين التي تختلط مع الشبكة البلورية أثناء تحضيرها. ومن المثير للدهشة أن نرى كيف يتحول الألماس البني الذي يتم الحصول عليه بهذه العملية الرخيصة إلى بلورات وردية وشفافة"، كما يقول أحد الباحثين. ولأن الباحثين حددوا سبب تغير اللون في الألماس، فإن "أبحاثنا يمكن أن تساعد صناعة الأحجار الكريمة أيضًا على التمييز بين الألماس الطبيعي والألماس الاصطناعي".

"الجانب الأكثر روعة في عملية الحدادة الجديدة هذه هو الحجم غير المحدود للماس الذي يمكن معالجته به. هذا الاختراق يمكن أن يسمح لنا بإنتاج ألماس كيلو قيراط بجودة بصرية عالية"، كما يشير أحد المؤلفين المشاركين في المقال. وبما أن هذه الطريقة لا تتطلب ضغوطًا عالية، فإنها تضمن معالجة أسرع للماس والحصول على مجموعة واسعة من أنواع الماس التي يمكن أن تمر بعملية إزالة اللون مقارنة بطرق الحدادة الحالية المطلوبة للضغط العالي.

"إن العملية المثالية ستجعل من الممكن الحصول على ألماس عالي الجودة لاستخدامه في الجيل الجديد من أجهزة الضغط العالي ومواد النوافذ ذات الخصائص البصرية المحسنة في النطاق بين الأشعة فوق البنفسجية والأشعة تحت الحمراء."

يتمتع الماس أحادي البلورة عالي الجودة الذي تم إنشاؤه بواسطة العملية الجديدة بمجموعة واسعة من التطبيقات في العلوم والتكنولوجيا، مثل استخدامه كسندان في أبحاث الضغط العالي والتطبيقات البصرية التي تستفيد من شفافية الماس غير العادية. ومن بين التطبيقات المستقبلية الأكثر روعة للألماس الوردي الذي تم الحصول عليه بهذه الطريقة هو التطبيق في الحوسبة الكمومية، والذي سيمكن من استخدام المواقع المجانية للألماس لتخزين المعلومات الكمومية.

الخبر الأصلي من معهد كارنيجي