Una serie de imágenes muestra un pequeño nanodiamante (la mancha oscura en la esquina inferior derecha) volviendo a la antracita. Los científicos de la Universidad de Rice vieron cómo se formaban nanodiamantes en el carbón hidrogenado cuando eran golpeados por el haz de electrones utilizado en microscopios electrónicos de transmisión de alta resolución. Pero diamantes más pequeños como este se degradaron con imágenes posteriores. La barra de escala es de 1 nanómetro. Crédito:Laboratorio Billups / Universidad Rice
(Phys.org) —Las imágenes tomadas por científicos de la Universidad de Rice muestran que algunos diamantes no son para siempre. Los investigadores de Rice detrás de un nuevo estudio que explica la creación de nanodiamantes en carbón tratado también muestran que algunos diamantes microscópicos solo duran unos segundos antes de volver a desaparecer en formas de carbono menos estructuradas bajo el impacto de un haz de electrones.
La investigación del químico de Rice Ed Billups y sus colegas aparece en la publicación de la American Chemical Society Revista de letras de química física .
Billups y Yanqiu Sun, un ex investigador postdoctoral en su laboratorio, presenció el efecto interesante mientras trabajaba en formas de reducir químicamente el carbono del carbón de antracita y hacerlo soluble. Primero notaron que se formaban nanodiamantes en medio de lo amorfo, Capas de grafito infundidas con hidrógeno.
Sucedió, ellos descubrieron, cuando tomaron primeros planos del carbón con un microscopio electrónico, que dispara un haz de electrones en el punto de interés. Inesperadamente, el aporte de energía solidificó grupos de átomos de carbono hidrogenados, algunos de los cuales adoptaron la estructura enrejada de los nanodiamantes.
"El rayo es muy potente, "Dijo Billups." Para eliminar átomos de hidrógeno de algo se necesita una enorme cantidad de energía ".
Las manchas oscuras en estas imágenes son nanodiamantes formados en carbón de antracita hidrogenado cuando son golpeados por rayos de un microscopio electrónico. según investigadores de la Universidad de Rice. Crédito:Laboratorio Billups / Universidad Rice
Incluso sin el tipo de presión necesaria para hacer diamantes a macroescala, la energía derribó átomos de hidrógeno sueltos para provocar una reacción en cadena entre las capas de grafito en el carbón que resultó en diamantes de entre 2 y 10 nanómetros de ancho.
Pero se vio que el más "nano" de los nanodiamantes se desvanecía bajo el poder del haz de electrones en una sucesión de imágenes tomadas durante 30 segundos.
"Los diamantes pequeños no son estables y vuelven al material de partida, la antracita, "Dijo Billups.
Billups recurrió al físico teórico de Rice, Boris Yakobson, y a sus colegas del Instituto Tecnológico de Materiales de Carbono Superduro y Novedoso en Moscú para explicar lo que vieron los químicos. Yakobson, Pavel Sorokin y Alexander Kvashnin ya habían elaborado un gráfico, llamado diagrama de fase, que demostraba cómo se podían hacer películas delgadas de diamantes sin una presión masiva.
Utilizaron cálculos similares para mostrar cómo se podían formar los nanodiamantes en la antracita tratada y el carbón subbituminoso. En este caso, El rayo del microscopio electrónico golpea átomos de hidrógeno sueltos de las capas de carbono. Luego, los enlaces colgantes se compensan al conectarse a una capa de carbono adyacente, que se le solicita que se conecte a la siguiente capa. La reacción comprime los átomos en una matriz característica del diamante hasta que la presión obliga a detener el proceso.
Natural, Los diamantes de macroescala requieren presiones y temperaturas extremas para formarse, pero el diagrama de fase debe reconsiderarse para los nanodiamantes, dijeron los investigadores.
"Hay una ventana de estabilidad para los diamantes dentro del rango de 19 a 52 angstroms (décimas de nanómetro), más allá del cual el grafito es más estable, Billups dijo. Se pueden formar nanodiamantes estables de hasta 20 nanómetros de tamaño en antracita hidrogenada, ellos encontraron, aunque los nanodiamantes más pequeños eran inestables bajo la radiación continua del haz de electrones.
Billups señaló que los experimentos posteriores con haces de electrones con antracita prístina no formaron diamantes, mientras que las pruebas con infusiones de hidrógeno menos robustas llevaron a regiones con "franjas en forma de cebolla" de carbono grafítico, pero no diamantes completamente formados. Ambos experimentos apoyaron la necesidad de suficiente hidrógeno para formar nanodiamantes.
Kvashnin es un ex estudiante visitante en Rice y un estudiante de posgrado en el Instituto de Física y Tecnología de Moscú (MIPT). Sorokin tiene nombramientos en MIPT y la Universidad Nacional de Ciencia y Tecnología, Moscú. Yakobson es profesor Karl F. Hasselmann de Ingeniería Mecánica y Ciencia de Materiales de Rice, profesor de química y miembro del Instituto Richard E. Smalley de Ciencia y Tecnología a Nanoescala. Billups es profesor de química en Rice.
