El diamante natural se forja mediante tremendas presiones y temperaturas en las profundidades del subsuelo. Pero el diamante sintético se puede cultivar por nucleación, donde pequeños trozos de diamante "siembran" el crecimiento de cristales de diamantes más grandes. Lo mismo pasa en las nubes donde las partículas siembran el crecimiento de cristales de hielo que luego se funden en gotas de lluvia.

Los científicos ahora han observado por primera vez cómo los diamantes crecen a partir de semillas a nivel atómico, y descubrió cuán grandes deben ser las semillas para acelerar el proceso de cultivo de cristales.

Los resultados, publicado esta semana en procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias , arrojar luz sobre cómo procede la nucleación no solo en diamantes, pero en la atmósfera, en cristales de silicio utilizados para chips de computadora e incluso en proteínas que se agrupan en enfermedades neurológicas.

"El crecimiento de la nucleación es un principio fundamental de la ciencia de los materiales, y hay una teoría y una fórmula que describe cómo sucede esto en todos los libros de texto, "dice Nicholas Melosh, profesor de la Universidad de Stanford y del Laboratorio Acelerador Nacional SLAC del Departamento de Energía que dirigió la investigación. "Así es como describimos el paso de una fase material a otra, por ejemplo, de agua líquida a hielo ".

Pero curiosamente, él dice, "a pesar del uso generalizado de este proceso en todas partes, la teoría detrás de ella nunca había sido probada experimentalmente, porque observar cómo el crecimiento de cristales comienza a partir de semillas a escala atómica es extremadamente difícil ".

Las motas más pequeñas posibles

De hecho, Los científicos saben desde hace mucho tiempo que la teoría actual a menudo sobreestima la cantidad de energía que se necesita para iniciar el proceso de nucleación. y por bastante. Han ideado posibles formas de reconciliar la teoría con la realidad, pero hasta ahora esas ideas se han probado solo a una escala relativamente grande, por ejemplo con moléculas de proteínas, en lugar de a escala atómica donde comienza la nucleación.

Para ver cómo funciona a la escala más pequeña, Melosh y su equipo se volvieron diamondoides, los pedazos de diamante más pequeños posibles. Los más pequeños contienen solo 10 átomos de carbono. Estas motas son el foco de un programa financiado por el DOE en SLAC y Stanford, donde las diamondoides de origen natural se aíslan de los fluidos del petróleo. ordenados por tamaño y forma y estudiados. Experimentos recientes sugieren que podrían usarse como bloques tipo Lego para ensamblar nanocables o "yunques moleculares" para desencadenar reacciones químicas. entre otras cosas.

La última ronda de experimentos fue dirigida por el investigador postdoctoral de Stanford Matthew Gebbie. Está interesado en la química de las interfaces:lugares donde una fase de la materia se encuentra con otra, por ejemplo, el límite entre el aire y el agua. Resulta que las interfaces son increíblemente importantes en el cultivo de diamantes con un proceso llamado CVD, o deposición de vapor químico, que se usa ampliamente para fabricar diamantes sintéticos para la industria y la joyería.

"Lo que me entusiasma es comprender cómo el tamaño, la forma y la estructura molecular influyen en las propiedades de los materiales que son importantes para las tecnologías emergentes, "Dice Gebbie." Eso incluye diamantes a nanoescala para su uso en sensores y en computación cuántica. Necesitamos fabricarlos de manera confiable y con una alta calidad constante ".

¿Diamante o mina de lápiz?

Para cultivar diamantes en el laboratorio con CVD, Se siembran pequeños trozos de diamante triturado en una superficie y se exponen a un plasma, una nube de gas calentada a temperaturas tan altas que los electrones se desprenden de sus átomos. El plasma contiene hidrógeno y carbono, los dos elementos necesarios para formar un diamante.

Este plasma puede disolver las semillas o hacerlas crecer, Gebbie dice:y la competencia entre los dos determina si se forman cristales más grandes. Dado que hay muchas formas de empaquetar átomos de carbono en un sólido, todo debe hacerse en las condiciones adecuadas; de lo contrario, puede terminar con grafito, comúnmente conocida como mina de lápiz, en lugar de las cosas brillantes que buscabas.

Las semillas de diamondoides brindan a los científicos un nivel de control mucho más fino sobre este proceso. Aunque son demasiado pequeños para verlos directamente, incluso con los microscopios más potentes, se pueden clasificar con precisión de acuerdo con la cantidad de átomos de carbono que contienen y luego unir químicamente a la superficie de una oblea de silicio para que se fijen en su lugar mientras se exponen al plasma. Los cristales que crecen alrededor de las semillas eventualmente se vuelven lo suficientemente grandes como para contarlos con un microscopio, y eso es lo que hicieron los investigadores.

El número mágico es 26

Aunque las diamondoides se habían utilizado antes para sembrar el crecimiento de diamantes, Estos fueron los primeros experimentos para probar los efectos del uso de semillas de varios tamaños. El equipo descubrió que el crecimiento de cristales realmente despegó con semillas que contienen al menos 26 átomos de carbono.

Incluso mas importante, Gebbie dice:Pudieron medir directamente la barrera de energía que las partículas diamondoides tienen que superar para convertirse en cristales.

"Se pensó que esta barrera debía ser como una montaña gigantesca que los átomos de carbono no deberían poder cruzar - y, De hecho, Durante décadas ha habido una pregunta abierta sobre por qué incluso podríamos hacer diamantes en primer lugar, ", dice." Lo que encontramos fue más como una colina suave ".

Gebbie agrega, "Esta es una investigación realmente fundamental, pero al final del día, Lo que realmente nos entusiasma y buscamos es una forma predecible y confiable de fabricar nanomateriales de diamante. Ahora que hemos desarrollado el conocimiento científico subyacente necesario para hacer eso, buscaremos formas de poner en práctica estos nanomateriales de diamante ".