Алмазы - лучшие друзья... ученых!

Многие из нас еще помнят слова этой популярной песенки. Но не сверкающие бриллианты будут героями нашего рассказа - а их прародители - алмазы! Бриллиантами они становятся только после ювелирной обработки - обрезки и тщательной шлифовки.  Только тогда они начинают сверкать и переливаться всеми цветами радуги, что тут же сказывается на их цене. Однако, и необработанные алмазы имеют большую ценность, пусть и не для любителей драгоценностей, а для ученых и инженеров.

Самый большой в мире необработанный алмаз выглядит не сильно привлекательней кусочка поцарапанного стекла.

Самый большой в мире необработанный алмаз выглядит не сильно привлекательней кусочка поцарапанного стекла. А стоит около 70 млн. долларов. Источник: Associated Press

Области применения алмазов в науке и технике поистине безграничны: электроника, обработка материалов, космическая индустрия, нанометрология и, конечно же, квантовые технологии, на которых мы позднее и сосредоточимся. А чтобы лучше понять причины, по которым алмазы столько популярны, разберемся с их свойствами и строением. Да-да, снова во всем виновата наша старая знакомая из статьи про углерод - кристаллическая решетка! В научных публикациях решетка алмаза слегка отличается от той формы, к которой мы привыкли со школы, и относится к типу гранецентрированных кубических решеток. Однако, при наличии некоторого пространственного воображения можно легко сопоставить ее с привычной "пирамидкой" из атомов улерода.

Кристаллическая решетка алмаза.

Кристаллическая решетка алмаза. Источник: http://www.gpi.ru/disser/ar_Khomich.pdf

Похожую структуру, кстати, имеют и кристаллы кремния, германия и олова, находящиеся в том же самом столбце периодической таблицы, что и углерод, атомы которого лежат в узлах кристаллической решетки алмаза. Отдельные атомы связаны между собой сильнейшими ковалентными сигма-связями, что и приводит к невероятной прочности алмаза. Если говорить точнее, то алмазы способны выдерживать давление, в миллион раз превышающее атмосферное! Именно поэтому их используют для создания так называемых "алмазных наковален" для исследования поведения различных материалов при сверхвысоких давлениях.

Алмазная наковальня для получения сверхвысоких давлений.

Алмазная наковальня для получения сверхвысоких давлений. Источник: ism.kiev.ua

Кроме того, благодаря все тем же ковалентным связям, эффективно передающим колебания атомов, алмазы очень хорошо проводят тепло (в шесть раз лучше меди и в восемь раз лучше золота!). За это свойство материала отвечает параметр, называемый температурой Дебая (в честь голландского физика Петера Дебая), при которой возбуждаются все возможные моды колебаний атомов в кристаллической решетке. Для алмаза она составляет около 2000 градусов Кельвина, что является своеобразным рекордом. Это значит, что при комнатной температуре (293 К) решетка алмаза устойчива и в ней практически не возникает квантов механических возбуждений - фононов. (Очень ценное свойство при использовании алмазов для квантовых технологий) Учитывая, что алмаз является диэлектриком (почти не проводит электрический ток), это позволяет создавать алмазные подложки для эффективного отведения тепла в микроэлектронике и высокочастотной технике.

Композитный материал из микроалмазов для эффективного отведения тепла.

Композитный материал из микроалмазов для эффективного отведения тепла. Источник: phys.org

Наконец, последней особенностью алмаза, которую мы хотели бы затронуть в этой статье является его прозрачность. Это значит очень простую вещь - оптическое излучение (от глубокого ультрафиолета, до дальнего инфракрасного) проходя через алмаз практически не поглощается. А это значит, что его можно использовать в мощных лазерах и прочих оптических устройствах и установках. Это прекрасное свойство также очень пригодится нам в дальнейшем, когда мы будем обсуждать разнообразные примеси в алмазах и их использование для квантовой оптики.

"Игра света" в алмазе и кварце.

"Игра света" в алмазе и кварце. Источник: Дерягин Б.В., Федосеев Д.В. 'Алмазы делают химики'

Но это дело уже следующей статьи, а на сегодня мы с вами прощаемся и желаем плодотворной рабочей недели впереди!

Всегда ваши, MakeItQuantum

P. S. вот здесь можно найти любопытный отчет о перспективах использования алмазов в микроэлектронике

Комментарии: