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 menghasilkan berlian dalam kondisi sedang.
Tahukah Anda bahwa 99% berlian sintetis diproduksi menggunakan metode tekanan tinggi, 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.
Ini berarti bahwa 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 yang lebih rendah) merupakan tantangan sains dasar yang menarik yang, jika tercapai, dapat merevolusi produksi berlian. Dapatkah paradigma saat ini ditantang?
Sebuah tim peneliti yang dipimpin oleh Direktur Rod Ruoff di Pusat Material Karbon Multidimensi (CMCM) dalam Institut Ilmu Pengetahuan Dasar (IBS), termasuk mahasiswa pascasarjana di Institut Sains dan Teknologi Nasional Ulsan (UNIST), telah menumbuhkan berlian dalam kondisi tekanan 1 atmosfer dan pada suhu 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 tanpa henti, 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 akhirnya berhasil menumbuhkan berlian menggunakan sistem vakum dinding dingin 'buatan sendiri'.
Ruoff mencatat, “Kami telah menjalankan studi parametrik kami di ruang besar (bernama RSR-A dengan volume interior 100 liter) dan pencarian kami untuk parameter yang akan menghasilkan pertumbuhan berlian diperlambat oleh waktu yang dibutuhkan untuk memompa udara keluar (sekitar 3 menit), membersihkan dengan gas inert (90 menit), diikuti dengan pemompaan kembali ke vakum (3 menit) sehingga ruang tersebut kemudian dapat diisi dengan tekanan 1 atmosfer dari campuran hidrogen/metana yang cukup murni (90 menit lagi); itu lebih dari 3 jam sebelum percobaan dapat dimulai! Saya meminta Dr. Won 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 baru buatan rumah kami (bernama RSR-S, dengan volume interior hanya 9 liter) dapat dipompa keluar, dibersihkan, dipompa keluar, dan diisi dengan campuran metana/hidrogen, dalam total 15 menit. Studi parametrik dipercepat secara signifikan, dan ini membantu kami menemukan parameter pertumbuhan berlian dalam logam cair!”
Pertumbuhan berlian dalam paduan logam cair di bawah tekanan 1 atmosfer. (a) Foto yang menunjukkan berlian tumbuh pada permukaan logam cair yang dipadatkan. (b) Citra optik lapisan berlian kontinu yang tumbuh pada permukaan logam cair yang dipadatkan. (c) Citra optik lapisan berlian yang dipindahkan ke kisi TEM Cu yang dilapisi dengan lapisan karbon amorf berlubang Quantifoil. (d) Citra topografi mikroskopi gaya atom dari lapisan berlian yang dipindahkan ke kisi TEM Cu. (e) Citra TEM penampang lintang 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 tumbuh (sebagian) terendam dalam logam cair yang dipadatkan. (h) Skema yang menunjukkan difusi karbon yang menyebabkan pertumbuhan berlian pada permukaan bawah logam cair. Kredit: Institute for Basic 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 pada tekanan 1 atm pada ~1025 °C.
Yan GONG, mahasiswa pascasarjana UNIST dan penulis pertama, menjelaskan, “Suatu hari dengan sistem RSR-S ketika 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 tersebut disebabkan oleh berlian! Hal ini memungkinkan kami untuk mengidentifikasi parameter yang mendukung pertumbuhan berlian yang dapat direproduksi.”
Pembentukan awal terjadi tanpa memerlukan berlian atau partikel benih lain yang umum digunakan dalam sintesis HPHT konvensional dan metode pengendapan uap kimia. Setelah terbentuk, partikel berlian 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 film berlian yang disintesis memiliki kemurnian fase berlian yang sangat tinggi. Aspek menarik lainnya adalah adanya pusat warna silikon void Pada struktur berlian, garis nol-fonon intens pada 738,5 nm ditemukan dalam spektrum fotoluminesensi yang dieksitasi 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 yang menyebabkan berlian membentuk inti dan tumbuh dalam kondisi baru ini. Pencitraan mikroskop elektron transmisi (TEM) resolusi tinggi pada penampang sampel mengungkap wilayah 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 wilayah amorf ini adalah atom karbon, dengan konsentrasi karbon menurun seiring bertambahnya kedalaman.”
Ruoff menjelaskan, “Keberadaan konsentrasi tinggi karbon 'terlarut' dalam paduan kaya galium mungkin tidak terduga, karena karbon dilaporkan tidak larut dalam galium. Ini mungkin menjelaskan mengapa wilayah ini amorf—sementara semua wilayah lain dari logam cair yang dipadatkan bersifat kristal. Wilayah bawah permukaan ini adalah tempat berlian kami berinti dan tumbuh, dan dengan demikian kami fokus padanya.”
Para peneliti memaparkan logam cair Ga-Fe-Ni-Si ke metana/hidrogen untuk waktu yang singkat guna mencoba memahami tahap pertumbuhan awal—jauh sebelum lapisan berlian kontinu terbentuk. Mereka kemudian menganalisis konsentrasi karbon di wilayah bawah permukaan menggunakan spektrometri massa ion sekunder time-of-flight depth profiling. Setelah 10 menit pengujian, tidak ada partikel berlian yang terlihat tetapi ada ~65 atom karbon at% yang hadir di wilayah tempat berlian biasanya tumbuh. Partikel berlian mulai muncul setelah 15 menit pengujian, dan ada karbon C di bawah permukaan. atom konsentrasi ~27 at%.
Berlian dengan morfologi berbeda tumbuh dalam kondisi pertumbuhan berbeda. (a) Pertumbuhan 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 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 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 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 Basic Science
Ruoff menjelaskan, “Konsentrasi atom karbon di bawah permukaan sangat tinggi sekitar 10 menit sehingga waktu paparan ini mendekati atau pada supersaturasi, yang mengarah pada pembentukan inti berlian baik pada 10 menit atau antara 10 dan 15 menit. Pertumbuhan partikel berlian diperkirakan terjadi sangat cepat setelah nukleasi, sekitar 10 menit dan 15 menit.”
Suhu di 27 lokasi berbeda dalam logam cair diukur menggunakan alat tambahan pada ruang pertumbuhan yang memiliki susunan sembilan termokopel yang dirancang dan dibuat oleh Seong. Wilayah tengah logam cair ditemukan memiliki suhu yang lebih rendah daripada sudut dan sisi ruang. Diperkirakan bahwa gradien suhu ini mendorong difusi karbon ke wilayah tengah, yang memfasilitasi pertumbuhan berlian.
Tim tersebut juga menemukan bahwa silikon memainkan peran kunci dalam pertumbuhan baru berlian-berlian ini. Berlian yang tumbuh menjadi lebih kecil dan kepadatannya lebih tinggi karena konsentrasi silikon dalam paduan meningkat 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 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 saturasi karbon dan elemen lain yang diperlukan, diikuti oleh 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 optimal 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 paduan 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 menggabungkan unsur-unsur lain seperti mangan, besi, nikel, kobalt dan sebagainya ke dalam paduan cair sebagai katalis, dan yang lainnya sebagai dopan untuk menghasilkan pusat warna. Dan ada berbagai macam prekursor karbon yang tersedia selain metana (berbagai gas, serta karbon padat). Desain dan metode baru untuk memasukkan atom karbon dan/atau gugus karbon kecil ke dalam logam cair untuk pertumbuhan berlian tentu akan menjadi penting, dan kreativitas serta kecerdikan teknis dari komunitas penelitian di seluruh dunia tampaknya mungkin bagi saya, berdasarkan temuan kami, untuk dengan cepat mengarah pada pendekatan dan konfigurasi eksperimental terkait 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, Won 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, Alami.
Nomor Induk Kependudukan: 10.1038/s41586-024-07339-7
NewsRoom.id
