Nossa equipe internacional criou dois tipos diferentes de diamante em temperatura ambiente - e em questão de minutos. É a primeira vez que diamantes são produzidos com sucesso em um laboratório sem aquecimento adicional.
Nossas descobertas foram publicadas na revista Small .
Existe mais de uma forma de diamante
Os átomos de carbono podem se ligar de várias maneiras para formar diferentes materiais, incluindo grafite preta suave e diamante transparente rígido.
Existem muitas formas conhecidas de carbono com ligações semelhantes ao grafite, incluindo o grafeno , o material mais fino já medido. Mas você sabia que também existe mais de um tipo de material à base de carbono com ligações como o diamante?
Em um diamante normal, os átomos são organizados em uma estrutura cristalina cúbica. No entanto, também é possível organizar esses átomos de carbono para que tenham uma estrutura de cristal hexagonal.
Essa forma diferente de diamante é chamada de Lonsdaleita, em homenagem ao cristalógrafo irlandês e membro da Royal Society Kathleen Lonsdale , que estudou a estrutura do carbono usando raios-X.
Há muito interesse na Lonsdaleita, uma vez que se prevê que seja 58% mais difícil do que o diamante normal - que já é considerado o material natural mais duro da Terra.
Foi descoberto pela primeira vez na natureza, no local da cratera do meteorito Canyon Diablo no Arizona. Desde então, pequenas quantidades da substância foram sintetizadas em laboratórios por aquecimento e compressão de grafite, usando uma prensa de alta pressão ou explosivos.
As muitas maneiras de fazer um diamante
Os diamantes foram sintetizados em laboratórios desde 1954. Então, Tracy Hall da General Electric os criou usando um processo que imitou as condições naturais dentro da crosta terrestre, adicionando catalisadores metálicos para acelerar o processo de crescimento.
O resultado foram diamantes de alta pressão e alta temperatura semelhantes aos encontrados na natureza, mas geralmente menores e menos perfeitos. Ainda hoje são fabricados, principalmente para aplicações industriais.
O outro método importante de fabricação de diamantes é através de um processo químico-gasoso que usa um pequeno diamante como uma "semente" para fazer crescer diamantes maiores. São necessárias temperaturas de cerca de 800 ℃. Embora o crescimento seja bastante lento, esses diamantes podem ser grandes e relativamente livres de defeitos.
A natureza forneceu dicas de outras maneiras de formar diamante, incluindo durante o violento impacto de meteoritos na Terra, bem como em processos como colisões de asteróides em alta velocidade em nosso sistema solar - criando o que chamamos de " diamantes extraterrestres ".
Os cientistas têm tentado entender exatamente como o impacto ou os diamantes extraterrestres se formam. Existem algumas evidências de que, além de altas temperaturas e pressões, as forças de deslizamento (também conhecidas como forças de "cisalhamento") podem desempenhar um papel importante no desencadeamento de sua formação.
Um objeto que está sendo impactado por forças de cisalhamento é empurrado em uma direção na parte superior e na direção oposta na parte inferior.
Um exemplo seria empurrar um baralho de cartas para a esquerda na parte superior e para a direita na parte inferior. Isso forçaria o baralho a deslizar e as cartas a se espalharem. Portanto, as forças de cisalhamento também são chamadas de forças "deslizantes".
Fazendo diamantes em temperatura ambiente
Para nosso trabalho, projetamos um experimento no qual um pequeno chip de carbono semelhante ao grafite foi submetido a forças de cisalhamento extremas e altas pressões, para estimular a formação de diamante.
Ao contrário da maioria dos trabalhos anteriores nesta frente, nenhum aquecimento adicional foi aplicado à amostra de carbono durante a compressão. Usando microscopia eletrônica avançada - uma técnica usada para capturar imagens de resolução muito alta - a amostra resultante continha tanto diamante regular quanto Lonsdaleita.
Neste arranjo nunca antes visto, um "rio" fino de diamante (cerca de 200 vezes menor que um fio de cabelo humano) era cercado por um "mar" de Lonsdaleita.
O arranjo da estrutura é uma reminiscência de "faixas de cisalhamento" observadas em outros materiais, em que uma área estreita sofre deformação intensa e localizada. Isso sugere que as forças de cisalhamento foram fundamentais para a formação desses diamantes em temperatura ambiente.
Nozes difíceis de quebrar
A capacidade de fazer diamantes em temperatura ambiente, em questão de minutos, abre inúmeras possibilidades de fabricação.
Especificamente, tornar a Lonsdaleita "mais dura que o diamante" dessa forma é uma notícia empolgante para as indústrias onde materiais extremamente duros são necessários. Por exemplo, o diamante é usado para revestir brocas e lâminas para estender a vida útil dessas ferramentas.
O próximo desafio para nós é diminuir a pressão necessária para formar os diamantes.
Em nossa pesquisa, a pressão mais baixa em temperatura ambiente onde os diamantes foram observados foi de 80 gigapascais. Isso é o equivalente a 640 elefantes africanos na ponta de uma sapatilha de balé!
Se tanto o diamante quanto a lonsdaleita pudessem ser feitos em pressões mais baixas, poderíamos fazer mais, mais rápido e mais barato.
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