Исследователи из Германии уверены, что им удалось решить задачу, веками ставившую в тупик ювелиров: почему алмаз, самый твердый из известных материалов, может быть отполирован с помощью другого алмаза и почему такую полировку можно осуществить только для определенных граней и только в определенном направлении.

Результаты исследования могут привести к разработке новых, более эффективных методов полировки алмаза, а также к созданию новых подходов для получения идеально плоских поверхностей поликристаллических алмазов, которые в последнее время находят применение в электронике и других областях.

Рис. 1. Частица алмаза с острыми краями (серые атомы, слева сверху) отделяет частички небольшого размера от стеклоподобной фазы (зеленые атомы), находящейся на поверхности алмаза (серые атомы, внизу). Одновременно кислород воздуха (красные атомы) реагирует с расположенными на поверхности цепями углерода (коричневые атомы), образуя диоксид углерода. (Рисунок из Nature Mater., 2010, DOI: 10.1038/nmat2902).

Обычно алмаз полируют алмазной же крошкой, нанесенной на быстро вращающееся колесо из железа. Уже сотни лет ювелиры знают, что некоторые грани алмаза оказываются более «мягкими» – их проще полировать, чем другие. Было известно, что легкость полировки связана с различными способами формирования кристаллической решетки атомами углерода, образующих более и менее прочные решетки, однако детальный механизм обработки поверхности до настоящего времени был неизвестен. Чтобы ответить на этот вопрос исследователи из группы Микаэля Мозелера (Michael Moseler) использовали молекулярную динамику для моделирования процесса полирования алмаза.

На основании компьютерного моделирования было предположено, что при контакте полирующего инструмента с обрабатываемым алмазом механическое воздействие приводит к перемещению атомов, расположенных на поверхности. Такое перемещение является причиной образования аморфного слоя, медленно перемещающегося по поверхности кристалла. Атомы углерода в этом слое остаются связанными ковалентными связями с не потерявшей кристаллическое состояние решеткой алмаза. По мере перемещения аморфного слоя эти ковалентные связи могут либо порваться, и от алмаза отколется кусочек, либо остаться неразрушенной.

Мозелер уверяет, что результаты расчетов позволяют определить, какие грани алмаза и какие направления воздействия более удобны для полировки. Он предполагает, что результаты его работы позволят найти способы модификации аморфного слоя таким образом, что будет найден способ разрушения прочных ковалентных связей между аморфным участком и кристаллом таким образом, что удастся обрабатывать и не поддающиеся обработке поверхности. Разработка такого подхода может оказаться особо полезной для обработки синтетических алмазов, представляющих собой поликристаллы с большим количеством «мягких» и «жестких» граней – такие алмазы особенно сложно обработать так, чтобы их можно было использовать на практике.

Майк Ашфолд (Mike Ashfold), специалист по химии алмазов из Университета Бристоля подчеркивает, что работа Мозелера впервые проливает свет на процессы, протекающие при обработке различных граней алмаза на атомном уровне, доводы приводимые исследователями достаточно убедительны и коррелируют с накопленным экспериментальным материалом по зависимости скорости полировки от типа грани алмаза и направления воздействия.