Науковий вісник НГУ

Метастабільне алмазоутворення при складних фізико-механічних впливах

• 
• 

Рейтинг користувача:  / 0

ГіршийКращий 

Деталі

Категорія: Зміст №4 2021

Останнє оновлення: 27 серпня 2021

Опубліковано: 30 листопада -0001

Перегляди: 3855

Authors:

В. В. Соболєв, orcid.org/0000-0003-1351-6674, Національний технічний університете «Дніпровська політехніка», м. Дніпро, Україна, e‑mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.

О. С. Ковров, orcid.org/0000-0003-3364-119X, Національний технічний університете «Дніпровська політехніка», м. Дніпро, Україна, e‑mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.

М. М. Налисько, orcid.org/0000-0003-4039-1571, Державний вищий навчальний заклад «Придніпровська державна академія будівництва та архітектури», м. Дніпро, Україна, e-mail:  Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.

Н. В. Білан, orcid.org/0000-0002-4086-7827, Національний технічний університете «Дніпровська політехніка», м. Дніпро, Україна, e‑mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.

О. А. Терешкова, orcid.org/0000-0001-5731-7349, Національний технічний університете «Дніпровська політехніка», м. Дніпро, Україна, e‑mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.

повний текст / full article

Naukovyi Visnyk Natsionalnoho Hirnychoho Universytetu. 2021, (4): 047 - 055

https://doi.org/10.33271/nvngu/2021-4/047

Abstract:

Мета. Синтезувати полікристали алмазу в термодинамічно стабільній області, а нарощування монокристальної оболонки провести в умовах термодинамічної метастабільності. Дослідити деякі фізичні властивості та особливості внутрішньої будови синтезованих монокристалів для розробки нових моделей і гіпотез у проблемі генезису алмаза.

Методика. Експериментальні дослідження із застосуванням ударно-хвильових впливів на металевий сплав, що містить не алмазний вуглець. Використані методи інфрачервоної, ультрафіолетової спектроскопії, рентгенофазового аналізу, електронний парамагнітний резонанс, ізотопний аналіз, диференційний термічний аналіз, електронну мікроскопію та ін. Синтез нанокристалічних алмазних частинок, як зародків для вирощування монокристалів, здійснюється ударно-хвильовим методом з використанням профільованих ударних хвиль.

Результати. Проведено комплекс фізико-хімічних досліджень вирощених монокристалів алмазу; встановлені та проаналізовані причини, що викликають дискретне зростання алмазу та збереження у процесі росту центрального включення – полікристалічного алмаза ударно-хвильового походження. Показано, що дискретність алмазоутворення характерна тільки для термодинамічно метастабільних умов. Результати експериментів дають підставу припустити метастабільне зростання, у тому числі, і алмазів корінних родовищ.

Наукова новизна. Отримала розвиток гіпотеза про походження алмазних наночастинок у міжзоряних вуглецевих хмарах, що відносяться виключно до центральних полікристалічних включень у монокристальній оболонці алмазів. Гіпотеза усуває наукове протиріччя, що виникає у всіх випадках спроби інтерпретувати природну дискретність алмазоутворення на підставі закономірностей діаграми стану «графіт–алмаз». Розглянуті можливі причини дискретного алмазоутворення у природі та сценарій утворення нанокристалів алмаза в міжзоряній хмарі атомарного вуглецю.

Практична значимість. Значимість результатів експериментальних досліджень полягає в розробці не енергоємної технології вирощування великих монокристалів алмазу в умовах температур 500–1400 К і тисків 10⁵–10⁷ Па.

Ключові слова: алмаз, метастабільність, дискретність, алмазоутворення, центральний зародок, протопланетна хмара

References.

1. Lewis, R. S., Ming, T., Wacker, J. F., Anders, E., & Steel, E. (1987). Interstellar diamonds in meteorites. Nature, 326(6109), 160-162.

2. Minory Ozima, & Shigeo Zashu (1983). Primitive Helium in Diamond. Science, 219(4588), 1067-1068.

3. Garanin, V. K. (1990). On the issue of the discreteness of natural diamond formation. Mineralogicheskiy zhurnal, (5), 28-36.

4. Petrov, V. S. (1959). Genetic relation of diamonds with kimberlite carbonates. Vestnik MGU. Seriya geologicheskaya, (2), 13-20.

5. Portnov, M. M. (1979). Fluid diapirism as the cause of formation of kimberlite pipes and carbonatite massifs. Doklady AN SSSR, 246(2), 416-420.

6. Nikol’skiy, N. S. (1981). On metastable crystallization of metastable diamonds from the fluid phase. Doklady AN SSSR, 226(4), 954-958.

7. Letnikov, F. A. (1983). Diamond formation in deep tectonic zones. Doklady AN SSSR, 271(2), 433-435.

8. Vasil’yev, Ye. A., Kriulina, G. Yu., & Garanin, V. K. (2020). Spectroscopic features of the diamond deposit named after M.V. Lomonosov. Zapiski rossiyskogo mineralogicheskogo obshchestva, 149(2), 1-11. https://doi.org/10.31857/s0869605520020082.

9. Rozen, O. M., Zorin, Yu. M., & Zayachkovskiy, A. A. (1972). Discovery of diamond in connection with eclogites in the Precambrian of the Kokchetav massif. Doklady AN SSSR, 203(3), 674-676.

10. Sidorenko, A.V. (1976). Carboniferous metamorphic complexes of the Precambrian as a potential source of diamond. Doklady AN SSSR, 230(6), 1433-1436.

11. Kaminskiy, F. V. (1976). Alkaline-basalt breccias of the Onega Peninsula. Izestiya AN SSSR. Seriya geologicheskaya, (7), 50-59.

12. Kutyyev, F. SH., & Kutyyeva, G. V. (1975). Diamonds in Kamchatka basaltoids. Doklady AN SSSR, 221(1), 183-186.

13. Luk’yanova, L. I. (1978). On founds of diamonds in picrites of the Urals. Zapiski Vsesoyuznogo mineralogicheskogo obshchestva, 107(5), 580-585.

14. Abovyan, S. B., & Kaminskiy, F. V. (1977). On the depth of the of ultramafic rocks formation in the Armenian SSR. Doklady AN ArmSSR, 65(4), 227-232.

15. Smirnov, A. A. (1970). Moissonite in Precambrian rocks of Aldan. In Geology and experiment. Research. Moscow: Nedra.

16. Slobodskoy, R. M. (1981). Organoelemental compounds in magmatogenic and ore-forming processes: monograph. Novosibirsk: Nauka.

17. Кrishnarao, J. S. R. (1964). Native nickel-iron аllоу, its mode of occurrence, distribution and origin. Economic Geology, 59(3), 443-448.

18. Sokhor, M. I., Polkanov, Yu. A., & Yeromenko, G. K. (1973). Finding of a hexagonal polymorphic modification diamond (lonsdaleite) in placers, Doklady AN SSSR, 209(4), 933-936.

19. Letnikov, F. A., & Narseyev, V. A. (2016). Kumdykol diamond deposit in northern Kazakhstan. Geologiya i okhrana nedr, 60(3), 7-14.

20. Sobolev, V. V., Taran, Yu. N., & Gubenko, S. I. (1993). Synthesis of diamond in cast iron. Metal Science and Heat Treatment, 35(1), 3-9. https://doi.org/10.1007/BF00770062.

21. Nikol’skiy, N. S. (1987). Fluid regime of endogenous mineral formation: monograph. Moscow: Nedra.

22. Sobolev, V. S. (1960). Conditions for diamond deposit formation. Geologiya i geofizika, (1), 7-22.

23. Alethea Inns (June 21, 2021). Geological origin of Natural Diamonds. Gemological Science International (GSI). Retrieved from https://gemscience.net/geological-origin-of-natural-diamonds/.

24. Lazko, Ye. Ye. (1979). Heavy diamond concentrates and the genesis of kimberlite rocks: monograph. Moscow: Nedra.

25. Vereshchagin, L. F. (1982). Synthetic Diamonds and Hydroextrusion: a collection of articles. Moscow: Nauka.

26. Kidalov, S. V., Shakhov, F. M., Davidenko, V. M., Yashin, V. A., Bogomazov, I. Ye., & Vul’, A. Ya. (2008). Effect of carbon materials on the graphite-diamond phase transition at high pressures and temperatures. Fizika tverdogo tela, 50(5), 940-944.

27. Prikhna, A. I. (2008). High pressure cleaners in the production of synthetic diamonds (Review). Sverkhtvordyye materialy, (1), 3-22.

28. DeCarly, Р. S., & Jamieson, I. L. (1961). Formation of diamond by explosive shock. Science, 133(3467), 1821-1823. https://doi.org/10.1126/science.133.3467.1821.

29. Alder, B. J., & Christian, R. H. (1961). Behavior of strongly shocked carbon. Physical Review Letters, (7), 367.

30. Cannon, P. (1963). Formation of diamond. Journal of the American Chemical Society, 4(22), 4253-4256.

31. Kraus, D., Ravasio, A., Gauthier, M., Gericke, D. O., Vorber­ger, J., Frydrych, S., …, & Roth, M. (2016). Nanosecond formation of diamond and lonsdaleite by shock compression of graphite. Nature, (7), 10970. https://doi.org/10.1038/ncomms10970.

32. Kurdyumov, A. V., Britun, V. F., Yarosh, V. V., Danilenko, A. I., & Zelyavskii, V. B. (2012). The influence of the shock compression conditions on the graphite transformations into lonsdaleite and diamond. Journal of Superhard Materials, 34, 19-27. https://doi.org/10.3103/S1063457612010029.

33. Chao Wen, Xun Li, De-Yu Sun, Jin-Qing Guan, Xiao-Xin Liu, Ying-Rui Lin, …, & Zhi-Hao Jin (2005). Raman spectrum of nano-graphite synthesized by explosive detonation. Guang Pu Xue Yu Guang Pu Fen Xi, 25(1), 54-70.

34. Sozin, YU. I., & Belyankina, A. V. (1976). Explosion-synthesized diamond substructure. Sinteticheskiye almazy, (5), 27-28.

35. Andreyev, V. D., Lukash, V. A., Voloshin, M. N., & Vishnevskiy, A. S. (1981). Structure and phase transformations of graphite in cast iron under dynamic loading and morphological characteristics of the resulting diamonds. Fizika i tekhnika vysokikh davleniy, (6), 61-64.

36. Sobolev, V. V., Slobodskoy, V. YA., & Yegorov, P. A. (1989). Possible mechanism of spontaneous diamond crystallization during shock compression of carbon-containing alloys. In Detonatsiya. Materialy IX Vsesoyuznogo simpoziuma po goreniyu i vzryvu, (pp. 69-72). Suzdal’, Chernogolovka. SSSR: OIKHF AN SSSR.

37. Christopher J. Mundy, Alessandro Curioni, Nir Goldman, I-F Will Kuo, Evan J. Reed, Laurence E. Fried, & Marcella Ianuzzi (2008). Ultrafast transformation of graphite to diamond: an ab initio study of graphite under shock compression. Journal of Chemical Physics, 128(18), 184701. https://doi.org/10.1038/ncomms10970.

38. Turneaure, S. J., Sharma, S. M., Volz, T. J., Winey, M., & Gupta, Y. M. (2017). Transformation of shock-compressed graphite to hexagonal diamond in nanoseconds, Science Advances, 3(10). https://doi.org/10.1126/sciadv.aao3561.

39. Sobolev, V. V. (January 1987). Diamond crystallization in nature. Combustion, Explosion, and Shock Waves, 23(1), 83-86.

40. Sobolev, V. V., Taran, Y. N., & Gubenko, S. I. (1997). Shock wave use for Diamond Synthesis. Journal de Physique IV, 7(3), С3-73–С3-75. https://doi.org/10.1051/jp4:1997315.

41. Ferro, S. (2002). Synthesis of diamond. Journal of Materials Chemistry, 1(2,) 2843-2855. https://doi.org/10.1039/B204143J.

42. Taran, Yu. N., Sobolev, V. V., Slobodskoj, V. Ya., & Gubenko, S. I. (1991). Formation of diamond inclusions in grey iron at combination of shock-wave treatment and thermal cycling. Izvestiya AN SSSR: Metally, (3), 140-147.

43. Masaytis, V. L. (1998). Diamond-bearing impactites of the Popigai astrobleme: monograph. Saint Petersburg: VSEGEI.

44. Galimov, E. M. (1973). Cavitation as a mechanism for the diamond origin. Izvestiya AN SSSR. Seriya geologicheskaya, (1), 22-37.

45. Galimov, E. M., Sevast’yanov, V. S., Karpov, G. A., Shilobreyeva, S. N., & Maksimov, A. P. (2016). Microcrystalline diamonds in the oceanic lithosphere and their possible nature. Doklady RAN, 469(1), 61-64. https://doi.org/10.7868/S0869565216190166.

46. Deryagin, B. D., Fedoseyev, D. V., & Bakul’, V. N. (1971). Physical and chemical sirtez of diamond from gas: monograph. Kiev: Tekhnika.

47. Rudenko, A. P., & Kulakova, I. I. (1983). On the mechanism and initiation of the growth of diamond crystals under the conditions of chemical mining. In Superhard materials: synthesis, properties, application: reports of an international seminar, (pp. 40-44). Kiev: Naukova dumka.

48. Spitsyn, B. V. (2020). The nucleation of a diamond from an activated gas phase. Fizika tverdogo tela, 62(1), 16-19. Retrieved from https://www.elibrary.ru/item.asp?id=42571171.

49. Dódnik, S. F., Vasilenko, R. L., & Voyevodin, V. N. (2014). Preparation and properties of conductive diamond nanocrystalline coatings. Nanosystems, Nanomaterials, Nanotechnologies, 12(2), 213-224.

50. Spitsyn, B. V., & Alexenko, A. E. (2007). Chemical crystallization of diamond and the diamond coating deposition from gas phase. Protection of Metals, 43(5), 415-431.

51. Barjon, J., Rzepka, E., Jomard, F., Laroche, J.-M., Ballutaud, D., Kociniewski, T., & Chevallier, J. (2005). Silicon incorporation in CVD diamond layers. Physica Status Solidi, 202(11), 2177-2181. https://doi.org/10.1002/pssa.200561920.

52. Kopf, R. F. (2003). State-of-the-Art Program on Compound Semiconductors XXXIX and Nitride and Wide Bandgap Semiconductors for Sensors, Photonics and Electronics IV: proceedings of the Electrochemical Society. The Electrochemical Society, (2011), 363.

53. Roddy, D. J., Pepin, R. O., & Mkerrill, R. B. (1977). Impact and explosion cratering. New York: Pergamon Press.

54. Grieve, R. A. F. (1982). The record of impact on Earth: Implications for a major Cretaceous/Tertiary impact event. Geological Society of America Special Papers, (190), 25-37.

55. Sobolev, V. V., Bilan, N. V., & Khalimendik, A. V. (2017). Оn formation of electrically conductive phases under electrothermal activation of ferruginous carbonate. Naukovyi Visnyk Natsionalnoho Hirnychoho Universytetu, (4), 27-35.

56. Pivnyak, G. G., Sobolev, V. V., & Filippov, A. O. (2012). Phase transformations in bituminous coals under the influence of weak electric and magnetic fields. Naukovyi Visnyk Natsionalnoho Hirnychoho Universytetu, (5), 43-49.

57. Soboliev, V., Bilan, N., & Samovik D. (2013). Magnetic stimulation of transformations in coal. Mining of Mineral Deposits, 221-225. https://doi.org/10.1201/b16354-2.

58. Kravchenko, V. M., & Sobolev, V. V. (2002). Conditions and processes of ore-forming contraction strain of ferruginous quartzites in zones of dislocation metamorphism. Dopovidi NAN Ukrayiny, (4), 129-132.

59. Mindeli, E. O., Chagelishvili, E. SH., & Mechurchlishvili, T. I. (1980). Electron diffraction studies of diamonds synthesized under extreme conditions. Fizika i tekhnika vysokikh davleniy, (2), 56-58.

60. Sobolev, V. V., Didyk, R. P., Slobodskoi, V. Ya., Merezhko, Yu. I., & Skidanenko, A. I. (1993). Dynamic effects in the production of diamond from solid-solution carbon. Combustion, Explosion, and Shock Waves, 19(5), 658-659. https://doi.org/10.1007/BF00750451.

61. Sobolev, V. V., Gubenko, S. I., Rudakov, D. V., Kyrychenko, O. L., & Balakin, O. O. (2020). Influence of mechanical and thermal treatments on microstructural transformations in cast irons and properties of synthesized diamond crystals. Naukovyi Visnyk Natsionalnoho Hirnychoho Universytetu, (4), 53-62. https://doi.org/10.33271/nvngu/2020-4/053.

62. Sobolev, V. V., Taran, Yu. N., & Gubenko, S. I. (1993). Synthesis of diamond in cast iron. Мetallovedenie i Termicheskaya Obrabotka Metallov, (1), 2-6.

63 Sobolev, V. V., & Bondarenko, E. V. (1993). The change in granulometric composition of diamond crystals when treating synthesis products in electromagnetic field. Sverkhtverdye Materialy, (4), 57-58.

64. Sobolev, V. V. (1994). The Diamond Synthesis: Experimental Studies of Hard-Phase Epitaxy. Sverkhtverdye Materialy, (4), 340-347.

65. Trofimov, V. S. (1980). Geology of natural diamond deposits: monograph. Moscow: Nedra.

66. Garanin, V. K., & Kudryavtseva, G. P. (2006). Polygenicity and discreteness of natural diamond formation. Moscow: Akademik V. I. Smirnov Fund. Smirnovskiy sbornik.

67. Gurney, J. J., Helmstaedt, H. H., Le Roex, A. P., Nowicki, T. E., Richardson, S. H., & Westerlund, K. J. (2005). Diamonds: Crustal Distribution and Formation Processes in Time and Space and an Integrated Deposit Model. Economic Geology, 100 ^th Anniversary Volume, 143-177.

68. Bartoshinskiy, Z. V., & Kvasnitsa, V. N. (1991). Crystallomorphology of kimberlite diamond: monograph. Kiev: Naukova dumka.

69. Bulanova, G. P., Barashkov, Yu. P., Tal’nikova, S. B., & Smelova, G. B. (1993). Natural diamond – genetic aspects: monograph. Novosibirsk: Nauka.

70. Dishler, B. (2012). Handbook of spectral lines in diamond. Springer.

71. Bokiy, G. B., Bezrukov, G. N., Klyuyev, YU. A., Nalotov, A. M., & Nepsha, V. I. (1986). Natural and synthetic diamonds: monograph. Moscow: Nauka.

72. Khachatryan, G. K., Palazhchenko, O. V., & Garanin, V. K. (2008). Genesis of “nonequilibrium” diamond crystals from the Karpinsky-1 according to cathodic luminescence and IR spectroscopy data. Vestnik Moskovskogo Gosudarstvennogo Universiteta, (2), 38-45.

73. Chernai, A. V., Sobolev, V. V., Chernaj, V. A., Ilyushin, M. A., & Dlugashek, A. (2003). Laser initiation of charges on the basis of di-(3-hydrazino-4-amino-1,2,3-triazol)-copper (II) perchlorate. Fizika Goreniya i Vzryva, 39(3), 105-110. https://doi.org/10.1023/A:1023852505414.

74. Danilenko, V. V. (2010). Explosion: physics, engineering, technology: monograph. Moscow: Energoatomizdat.

75. Garanin, V. K., Digonskiy, S. V., & Kudryavtseva, G. P. (2006). Model of natural diamond formation in the aspect of its synthesis. Article 2. Genesis of diamond in meteorites, metamorphic rocks and kimberlites. Izvestiya VUZov. Geologiya i razvedka, (2), 8-14.

76. Galimov, E. M. (1984). 13С/12С of diamond. Vertical zoning of diamond formation in the lithosphere. In Geochemistry and Cosmochemistry. Materials of the 27 ^th International Geological Congress, (110-123). Moscow: Nauka.

77. Breusov, O. N., Volkov, V. M., Drobyshev, V. N., & Tatsiy, V. F. (1984). Experimental and theoretical study of the oxidation of diamond micropowders by the DTA method. In Interaction of diamonds with liquid and gaseous media, (19-35). Kiev: ISM AN USSR.

78. Breusov, O. N., Tatsiy, V. F., & Shunina, I. G. (1989). Evaluation of the oxidation resistance of diamond micropowders by the temperature of the maximum DTA curves. Sinteticheskiye almazy, (1), 25-28.

79. Konovalenko, A. A. (1984). Observations of carbon recombination lines at decameter waves in the direction of the Cassiopeia A source. Pis’ma v Astronomicheskiy zhurnal, 10(11), 846-853.

80. Sobolev, V. V., Bilan, N. V., Baskevich, A. S., & Stefanovich, L. I. (2018). Electrical charges as catalysts of chemical reactions on a solid surface. Naukovyi Visnyk Natsionalnoho Hirnychoho Universytetu, (4), 50-58. https://doi.org/10.29202/nvngu/2018-4/7.

81. Tsitsin, F. A. (2009). Essays on the modern cosmogony of the solar system: monograph. Dubna: Feniks.

82. Danilenko, V. V. (2013). Synthesis and sintering of diamond by explosion: monograph. Moscow: Energoatomizdat.

83. Yamaguchi, S. (1983). Obtaining diamond and boron nitride by the internal explosion method. In Superhard materials: synthesis, properties, application, (55-57). Kiev: Naukova dumka.

84. Sobolev, V. V., & Bilan, N. V. (2018). Physical conditions of the ‘light’ core formation and thermonuclear heat source deep inside the earth. Naukovyi Visnyk Natsionalnoho Hirnychoho Universytetu. (5), 13-23. https://doi.org/10.29202/nvngu/2018-5/1.

85. Sobolev, V., & Hove Hogset, I. (1997). Phenomenon of spiral vortex formation over the shock wave front. Journal De Physique. IV: 7(3), 127-129.

86. Sobolev, V. V. (1985). The hypothesis of the formation of diamond in nature and the possible reasons for its widespread distribution on Earth. In Detonation. Tez. dokl. III Vses. soveshch. po detonatsii (p. 174). Tallinn-Chernogolovka: OIKHF AN SSSR.

• < Попередня
• Наступна >