Tecnologia Científica

A pesquisa de Stanford mapeia uma maneira mais rápida e fácil de construir diamantes
Com a quantidade certa de pressão e surpreendentemente pouco calor, uma substância encontrada nos combustíveis fósseis pode se transformar em diamante puro.
Por Josie Garthwaite - 25/02/2020

Parece alquimia: pegue um monte de pó branco, aperte-o em uma câmara de pressão cravejada de diamantes e depois sopre com um laser. Abra a câmara e encontre uma nova mancha microscópica de diamante puro dentro.

Yu Lin mostra modelos de diamondoides com uma, duas e três gaiolas,
que podem se transformar na intricada estrutura de diamante de carbono puro
- vista no modelo azul maior à direita - quando sujeita a calor e pressão extremos.
(Crédito da imagem: Andrew Brodhead)

Um novo estudo da Universidade de Stanford e do SLAC National Accelerator Laboratory revela como, com o ajuste cuidadoso do calor e da pressão, essa receita pode produzir diamantes a partir de um tipo de molécula de hidrogênio e carbono encontrada no petróleo e no gás natural.

"O que é empolgante neste artigo é mostrar uma maneira de enganar a termodinâmica do que normalmente é necessário para a formação de diamante", disse o geólogo de Stanford Rodney Ewing , co-autor do artigo, publicado em 21 de fevereiro na revista Science Advances.

Os cientistas sintetizam diamantes de outros materiais há mais de 60 anos, mas a transformação normalmente requer quantidades excessivas de energia, tempo ou a adição de um catalisador - geralmente um metal - que tende a diminuir a qualidade do produto final. "Queríamos ver apenas um sistema limpo, no qual uma única substância se transforma em diamante puro - sem catalisador", disse o principal autor do estudo, Sulgiye Park, pesquisador de pós-doutorado na Escola de Ciências da Terra, Energia e Ciências Ambientais de Stanford (Stanford). Terra).

Compreender os mecanismos para essa transformação será importante para aplicações além das jóias. As propriedades físicas do diamante - dureza extrema, transparência ótica, estabilidade química, alta condutividade térmica - o tornam um material valioso para medicina, indústria, tecnologias de computação quântica e detecção biológica.

"Se você pode produzir pequenas quantidades desse diamante puro, poderá utilizá-lo de maneira controlada para aplicações específicas", disse o autor sênior do estudo Yu Lin, cientista da equipe do Instituto Stanford de Ciências de Materiais e Energia (SIMES) no SLAC Laboratório Nacional de Aceleração.

Uma receita natural

Os diamantes naturais cristalizam a partir do carbono centenas de quilômetros abaixo da superfície da Terra, onde as temperaturas atingem milhares de graus Fahrenheit. A maioria dos diamantes naturais desenterrados até hoje disparou para cima em erupções vulcânicas milhões de anos atrás, carregando minerais antigos do interior da Terra com eles.

Depois de espremer amostras de diamonóides e detoná-las com um laser,
os pesquisadores usaram um segundo raio laser mais frio para ajudar a
caracterizar o diamante resultante. (Crédito da imagem: Andrew Brodhead)

Como resultado, os diamantes podem fornecer informações sobre as condições e materiais que existem no interior do planeta. "Os diamantes são recipientes para trazer de volta amostras das partes mais profundas da Terra", disse a física mineral de Stanford Wendy Mao , que lidera o laboratório onde Park realizou a maioria das experiências do estudo.

Para sintetizar diamantes, a equipe de pesquisa começou com três tipos de pó refinado de navios-tanque cheios de petróleo. "É uma quantia pequena", disse Mao. "Usamos uma agulha para pegar um pouco e colocá-la sob um microscópio para nossos experimentos".

À primeira vista, os pós inodoro e levemente pegajoso lembram sal de rocha. Mas um olho treinado olhando através de um poderoso microscópio pode distinguir átomos dispostos no mesmo padrão espacial que os átomos que compõem o cristal de diamante. É como se a intricada treliça de diamante tivesse sido cortada em unidades menores compostas por uma, duas ou três gaiolas.

Ao contrário do diamante, que é carbono puro, os pós - conhecidos como diamondoides - também contêm hidrogênio. “Começando com esses blocos de construção”, disse Mao, “você pode fabricar diamantes de maneira mais rápida e fácil e também pode aprender sobre o processo de uma maneira mais completa e ponderada do que se apenas imitasse a alta pressão e a alta temperatura encontradas no parte da Terra onde o diamante se forma naturalmente. "

Diamondoids sob pressão

Os pesquisadores carregaram as amostras de diamonóides em uma câmara de pressão do tamanho de uma ameixa chamada célula bigorna de diamante, que pressiona o pó entre dois diamantes polidos. Com apenas um simples giro manual de um parafuso, o dispositivo pode criar o tipo de pressão que você pode encontrar no centro da Terra.

Em seguida, aqueceram as amostras com um laser, examinaram os resultados com uma bateria de testes e executaram modelos de computador para ajudar a explicar como a transformação se desenrolara. "Uma pergunta fundamental que tentamos responder é se a estrutura ou o número de gaiolas afeta como os diamondoides se transformam em diamante", disse Lin. Eles descobriram que o diamondoide de três gaiolas, chamado triamantano, pode se reorganizar em diamante com surpreendentemente pouca energia.

Em 900 Kelvin - que é aproximadamente 1160 graus Fahrenheit, ou a temperatura de lava em brasa - e 20 gigapascals, uma pressão centenas de milhares de vezes maior que a atmosfera da Terra, os átomos de carbono do triamantano se alinham e seu hidrogênio se dispersa ou desaparece.

A transformação se desenrola nas frações mais finas de um segundo. Também é direto: os átomos não passam por outra forma de carbono, como a grafite, no caminho da produção de diamantes.

O tamanho minúsculo da amostra dentro de uma célula de bigorna de diamante torna essa abordagem impraticável para sintetizar muito mais do que as partículas de diamante que a equipe de Stanford produziu no laboratório, disse Mao. "Mas agora sabemos um pouco mais sobre as chaves para fazer diamantes puros."

 

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