Добавь сайт в закладки нажми CTRL+D
Синтетические алмазы – это лабораторно выращенные алмазы, которые по своим свойствам идентичны природным, но производятся в контролируемых условиях. Они питают электронику, помогают бороться с отходами и трансформируют биосенсоры (устройства для обнаружения и анализа биологических или химических веществ с использованием биологического компонента, например, фермента или антитела).
Алмазы широко известны своей редкостью и высокой стоимостью, но помимо их роли в качестве роскошных драгоценных камней, они обладают экстраординарными свойствами, которые делают их бесценными в инженерии.
Прогресс в материаловедении привёл к разработке выращенных в лаборатории алмазов, предлагающих устойчивую и масштабируемую альтернативу природным алмазам, одновременно расширяя их применение в электронике, экоинженерии (применение инженерных принципов для защиты и восстановления окружающей среды) и биоинженерии (применение инженерных принципов для решения проблем в биологии и медицине).
Одно из их наиболее перспективных применений — в медицинских технологиях, особенно в лучевой терапии (лечение рака с использованием радиации) для лечения онкологических заболеваний, где синтетические алмазы функционируют как детекторы дозы (устройства, измеряющие количество полученной радиации).
Они также способствуют экоинженерии, включая применение в контроле загрязнения и передовой водоочистке.15 фактов об Алмазе – Камне рождённых в апреле
Выращенные в лаборатории алмазы
Выращенные в лаборатории алмазы обладают фундаментальными свойствами природных алмазов, но часто демонстрируют улучшенные качества благодаря контролируемому синтезу.
Синтетические алмазы могут быть спроектированы с меньшим количеством примесей, что улучшает их проводимость и долговечность. Возросшая и ценовая доступность делают их привлекательной альтернативой природным алмазам, которые остаются редкими и дорогими.
Несмотря на эти преимущества, алмазные технологии сталкиваются с проблемами, ограничивающими их широкое распространение. Алмазы чрезвычайно тверды, что затрудняет их обработку для придания точных форм, необходимых для электронных устройств.
Кроме того, производство алмазных подложек (тонких пластин материала, используемых в качестве основы для электронных компонентов или покрытий) для промышленного использования остаётся сложным процессом из-за их небольшого размера и твёрдости.
Прорывы в технологиях на основе алмазов
В исследовании, опубликованном в 2021 году, учёные рассмотрели достижения в разработке высоковольтных электронных устройств, которые используют материалы с широкой запрещённой зоной (энергетический зазор) — материалы, способные выдерживать высокие напряжения и температуры.
Алмаз — один из таких материалов и является многообещающим кандидатом, но его твёрдость затрудняет придание ему функциональных форм для электроники. Исследователи сейчас разрабатывают новые методы изготовления для устранения этих ограничений.
Алмазные мембраны (тонкие, гибкие плёнки алмаза) стали прорывом в материаловедении. Новая техника позволяет производить эти мембраны быстро и с меньшими затратами, что открывает возможности для их использования в широком спектре технологий.
Команда исследователей разработала метод получения свободностоящих алмазных мембран, это означает, они не требуют крепления к другим материалам.
В ноябре 2024 года, Принстонская лаборатория физики плазмы объявили о достижениях в выращивании алмазов при более низких температурах, что является критически важным шагом для интеграции алмазов в кремниевую микроэлектронику.
В январе 2025 года исследователи из Университета Кейс Вестерн Резерв и Университета Иллинойса в Урбане-Шампейн обнаружили, что при сочетании алмаза с бором (легировании бором) он становится хорошим проводником электричества и проявляет плазмоны (коллективные колебания свободных электронов в материале). Это означает, что он может манипулировать светом на наномасштабе.
Эти свойства могут привести к прогрессу в биосенсорах, оптических устройствах и квантовых технологиях (область науки и техники, использующая принципы квантовой механики), включая солнечные батареи и вычислительные системы следующего поколения.
Значительная экономия может быть достигнута из-за замены природных алмазов синтетическими.
Согласно одному исследованию, ежегодные выбросы парниковых газов, минеральные отходы и потребление воды в мировой алмазной промышленности достигнут 9,65 млн метрических тонн (Мт) выбросов парниковых газов, 422,80 Мт минеральных отходов и 78,68 млн куб/м потребления воды ежегодно.
Выращенные в лаборатории алмазы предлагают более устойчивую альтернативу с потенциалом резкого сокращения выбросов и отходов, а также экономии 714 млн куб/м пространства на свалках ежегодно.
Алмазные датчики для измерений
Алмаз представляет собой уникальный набор превосходных материальных свойств, которые невозможно найти в любом другом материале.
Эти характеристики включают наивысшую твёрдость и теплопроводность, высокую износостойкость, широкую оптическую прозрачность, хорошие электроизоляционные свойства, устойчивость к химической коррозии и высокую биосовместимость.
Существует множество проблем, которые алмазы могут эффективно решить. Например, квантовые устройства (использующие квантовые механические эффекты для выполнения задач), основанные на алмазах, которые инженеры стремятся коммерциализировать.
Качество выращенных в лаборатории синтетических алмазов и созданных внутри них центров окраски (локализованные дефекты или примеси в кристаллической решётке, которые могут захватывать или излучать свет) играют решающую роль в этом развитии.
Центры окраски используются в качестве так называемых кубитов (основная единица информации в квантовых компьютерах), что позволяет применять их в квантовых вычислениях, зондировании и связи.
Алмазы демонстрируют большой потенциал для мощных и высокочастотных полупроводниковых приборов (устройства, изготовленные из полупроводниковых материалов, как кремний, и используемые в электронике для управления потоком электрического тока).
Десятилетиями алмазы занимали уникальное место и в абразивной промышленности (отрасль, занимающаяся производством материалов для шлифовки, полировки и резки); их исключительная твёрдость и износостойкость особенно полезны в качестве материалов для различных механизмов и машин.
Исследователи разработали метод изготовления высокопроизводительных микросенсоров на основе алмазов с использованием прямой струйной печати (метод нанесения материала с помощью струйного принтера).
Заменив стандартные чернила в коммерческом принтере на алмазные чернила, они успешно произвели алмазные диски микронного масштаба, которые функционируют как высокочувствительные резонаторы (устройства или структуры, которые усиливают колебания на определённых частотах).
Недавно учёные продемонстрировали упрощённое изготовление снизу вверх (метод производства, при котором структура строится путём последовательного добавления материала) трёхэлектродных чипов датчиков на основе алмазов с использованием аналогичной прямой струйной печати алмазных наночастиц (частицы размером менее 100 нанометров).
Этот подход позволяет осуществлять быстрое прототипирование (создание рабочего образца) конструкций электродов небольшого размера, что может привести к повышению производительности датчиков и расширению использования миниатюрных легированных бором алмазных электродов для электрохимических измерений (основанные на электрохимических реакциях) на месте и разработки устройств для диагностики болезней.
В настоящее время исследуется 3D-печать гибких электродов на основе алмазов для предполагаемого использования в областях, где важна гибкость, как носимые датчики (устройства, которые можно носить на теле для сбора данных о здоровье или окружающей среде) для мониторинга пациентов.
Будущее искусственных алмазов
По мере развития выращенных в лаборатории алмазов их влияние на инженерию, электронику и устойчивое развитие становится очевидным.
Их точные свойства способствуют инновациям, а экологический потенциал делает их экономически эффективной альтернативой природным алмазам. С продолжающимися исследованиями, технологии на основе искусственных алмазов изменят будущее.
Поделись видео:
