В 1888 году на территории современной Башкирии в районе маленькой деревни Новый Урей упал метеорит. Местные жители видели, как он падает, сразу его распилили. В какой-то момент метеорит начали использовать для приготовления блюд: существовали представления, что использование небесных камней может давать плюсы для здоровья местному населению. Тем не менее значительную весовую часть метеорита удалось спасти и передать ученым из Санкт-Петербурга.

Одним из самых интересных аспектов исследования метеорита стало обнаружение в нем мелких алмазов, размером порядка единиц микрон. Это существенно меньше, чем алмазы, которые используются в ювелирной промышленности. Наименование деревни Новый Урей дало название большому классу метеоритов — уреилиты. Часто говорится, что в уреилитах алмазы можно увидеть невооруженным глазом, но это не совсем верно. На спиле такого метеорита вы можете увидеть блестящие области, но, как правило, это сростки графита и алмаза. То есть это не чистые кристаллы алмаза, а очень тесные срастания между графитом и алмазом. На протяжении долгого времени метеоритные алмазы, которые находят в уреилитах, оставались единственным известным классом неземных алмазов.

С точки зрения науки крупные алмазы в уреилитах сравнительно неинтересны. Наиболее вероятная гипотеза их образования состоит в том, что это прямой ударный переход из графита в алмазы, то есть исходный метеорит содержал какое-то количество углерода в виде графита. Метеориты сталкиваются с очень большими относительными скоростями в космосе, из-за высокой температуры и давления часть графита переходит в алмаз.

Рекомендуем по этой теме:
2218
Наноалмазы

Есть гипотеза, что так называемым родительским телом уреилитов была большая планета — по размерам больше, чем Луна, но меньше Марса, — в недрах которой выросли алмазы. Затем эта планета была разрушена в ходе катастрофических событий. Сейчас мы наблюдаем, что метеориты-уреилиты являются частью этой разрушенной планеты и алмазы выросли на большой глубине. Но существует большое количество научных фактов, которые заставляют относиться к этой гипотезе с достаточно большим скепсисом. То есть в уреилитах мы все же наблюдаем прямой ударный переход одной углеродной фазы в другую.

Более интересным с научной точки зрения является обнаружение более мелких алмазов. В уреилитах кристаллиты алмаза размером несколько микрон — их можно увидеть под оптическим микроскопом. Алмазы, которые мы невооруженным глазом увидеть не можем, имеют размер единицы нанометров, то есть очень маленькие зерна алмазоподобного углерода. Их поиск связан с чисто научными экзотическими изысканиями.

Существует большая научная область — космохимия благородных газов, в которой люди исследуют благородные газы, не вступающие ни в какие химические реакции: ксенон, криптон, неон. Метеориты богаты благородными газами. И когда в 1960-х годах с развитием масс-спектрометрии оказалось возможным исследовать изотопные соотношения ксенона или криптона в различных метеоритах, выяснилось, что в ряде метеоритов изотопное отношение благородных газов очень сильно отличается от того, что мы наблюдаем на Солнце. Причина этого в первый момент была совершенно непонятна.

Появились гипотезы того, что часть метеоритов содержит вещество, которое напрямую не имеет отношения к Солнечной системе. Оно образовалось в процессах взрывов сверхновых звезд, и мы наблюдаем в метеоритах следы вещества, образованного за пределами Солнечной системы. На протяжении длительного времени это оставалось чистой гипотезой, потому что мы получаем благородные газы, но совершенно не можем понять, где они содержатся.

В ряде лабораторий в 1960–1970-х годах был предпринят активный поиск фазы носителя благородных газов. Исследователи брали метеориты определенных типов, растворяли их в различных кислотах, пытались разогнать на различные фракции — сначала минеральные, потом химические. К концу 1980-х годов этот поиск увенчался успехом: узнали многое о изотопно-аномальных благородных газах, изотопный состав которых сильно отличается от изотопного состава благородных газов на Солнце или Земле. Оказалось, что основной фазой носителей этих газов является углеродное вещество, детальное исследование показало, что это алмазная фракция.

Выяснилось, что часть метеоритов содержит мелкие зерна алмаза размерами единицы нанометров и эти зерна алмаза содержат благородные газы. Более того, если мы посмотрим на изотопный состав этих газов, мы поймем, что они могли быть образованы только в процессах взрыва сверхновых определенного типа. Сверхновые звезды напрямую не имеют отношения к Солнечной системе, но такое обнаружение зерен, которые несут прямую информацию об объектах, которые являются внешними по отношению в Солнечной системе, произвело фурор в космохимии. Стало понятно, что в веществе, из которого образовывалась Земля, метеориты, Солнце, была большая примесь элементов, которые практически в неизменном виде были доставлены к нам от других звездных объектов. Сейчас стало понятно, что наноалмазы не единственная, но самая распространенная форма досолнечных зерен.

Часть благородных газов, которые содержатся в наноалмазах, образовалась в процессе взрыва сверхновых, то есть это для нас совершенно внешний объект. В каком-то смысле это инопланетяне, которые были доставлены к моменту начала образования Солнечной системы. Но другие характеристики заставляют думать, что часть из наноалмазов образовалась прямо в Солнечной системе, то есть конденсировались ионы углерода, которые существовали в нашей Солнечной системе. Конденсация привела к образованию различных графитоподобных объектов, но часть из них вполне могла кристаллизоваться в виде алмазов.

Таким образом, наноалмазы, которые мы обнаруживаем в метеоритах, имеют по крайней мере два источника. Один источник — назовем его местным — наша Солнечная система. Второй источник чисто внешний — это сверхновые, которые взрывались задолго до образования Солнечной системы. Очень маленькие зерна сконденсировались из продукта взрыва сверхновых и в практически неизмененном виде выжили в процессе преобразования вещества в момент образования планет, метеоритов.

Зачем изучать досолнечные зерна? Хлеб от этого дешевле не станет, это глубокий полет научной мысли, который никакого отношения к практической жизни не имеет. Однако оказалось, что это не совсем так. Несколько лет назад мы начали систематическое исследование спектроскопических свойств наноалмазов. Чтобы получить эти алмазы, требуется взять определенный вид метеоритов, которых на самом деле не так много, практически полностью его химически растворить. Можно выделить небольшое количество углеродного вещества, которое представляет собой наноалмазы. Мы занимались исследованием их микроскопических свойств, дефектами, которые в них содержатся и позволяют увидеть наноалмазы или предположить их наличие вокруг других звезд.

Мы обнаружили особенность в спектрах фотолюминесценции — дефект кремний-вакансия. Это специфический дефект, который известен в синтетических и природных алмазах и представляет собой сложное образование, когда мы убираем из решетки углерода два атома и вместо них помещаем один атом кремния. Следует оговориться, что мы не получаем в данном случае карбид кремния. Это именно дефект в самом алмазе. И то, что в наноалмазах может присутствовать дефект кремний-вакансия, который обладает яркой и специфически выраженной фотолюминесценцией, — это хороший источник света.

С научной точки зрения это интересно, потому что спектральные наблюдения, поиск проявлений этого дефекта может позволить нам обнаружить наноалмазы вокруг других звезд. Пока этот поиск не очень успешен, но это вопрос скорее терпения и времени.

Дефект кремний-вакансия является интересным для квантовой оптики. Например, для создания квантового компьютера нужны однофотонные источники света, когда происходит возбуждение какого-то объекта, дефекта и он испускает в заданный момент времени строго один фотон. Использование таких источников необходимо для создания квантовых компьютеров. Оказалось, что в 2010-х годах метеоритные наноалмазы, совершенно экзотический объект, являются единственным природным объектом, в котором существует точечный источник, работающий как однофотонный эмиттер при комнатной температуре.

Рекомендуем по этой теме:
9883
Моделирование наноструктур

Этот пример показывает, что иногда абсолютно фундаментальные исследования обнаруживают некоторые полезные свойства. Сегодня в лабораториях проводятся активные работы по синтезу наноалмазов размером 2 нанометра, которые бы содержали дефект кремний-вакансия.