Yu Lin muestra modelos de diamondoides con uno, dos y tres jaulas, que puede transformarse en intrincado, celosía de diamante de carbono puro, visto en el más grande, modelo azul a la derecha - cuando se somete a calor y presión extremos. Crédito:Andrew Brodhead
Suena a alquimia:toma un montón de polvo blanco, exprímalo en una cámara de presión con diamantes incrustados, luego dispara con un láser. Abre la cámara y encuentra una nueva mota microscópica de diamante puro en el interior.
Un nuevo estudio de la Universidad de Stanford y el Laboratorio Nacional Acelerador SLAC revela cómo, con un cuidadoso ajuste de calor y presión, esa receta puede producir diamantes a partir de un tipo de molécula de hidrógeno y carbono que se encuentra en el petróleo crudo y el gas natural.
"Lo emocionante de este artículo es que muestra una forma de burlar la termodinámica de lo que normalmente se requiere para la formación de diamantes, "dijo el geólogo de Stanford Rodney Ewing, un coautor del artículo, publicado el 21 de febrero en la revista Avances de la ciencia .
Los científicos han sintetizado diamantes a partir de otros materiales durante más de 60 años. pero la transformación normalmente requiere cantidades excesivas de energía, tiempo o la adición de un catalizador, a menudo un metal, que tiende a disminuir la calidad del producto final. "Queríamos ver solo un sistema limpio, en el que una sola sustancia se transforma en diamante puro, sin catalizador, "dijo el autor principal del estudio, Parque Sulgiye, becario de investigación postdoctoral en la Escuela de la Tierra de Stanford, Energía y Ciencias Ambientales (Stanford Earth).
Comprender los mecanismos de esta transformación será importante para aplicaciones más allá de la joyería. Propiedades físicas del diamante:dureza extrema, transparencia óptica, estabilidad química, alta conductividad térmica:conviértalo en un material valioso para la medicina, industria, tecnologías de computación cuántica y detección biológica.
"Si puedes hacer incluso pequeñas cantidades de este diamante puro, luego puede doparlo de forma controlada para aplicaciones específicas, "dijo el autor principal del estudio, Yu Lin, científico del personal del Instituto Stanford de Ciencias de los Materiales y la Energía (SIMES) en el Laboratorio Nacional Acelerador de SLAC.
Una receta natural
Los diamantes naturales se cristalizan a partir de carbono a cientos de millas por debajo de la superficie de la Tierra, donde las temperaturas alcanzan miles de grados Fahrenheit. La mayoría de los diamantes naturales desenterrados hasta la fecha se dispararon hacia arriba en erupciones volcánicas hace millones de años. llevando consigo minerales antiguos del interior profundo de la Tierra.
Como resultado, Los diamantes pueden proporcionar información sobre las condiciones y los materiales que existen en el interior del planeta. "Los diamantes son recipientes para traer muestras de las partes más profundas de la Tierra, "dijo la física de minerales de Stanford Wendy Mao, quien dirige el laboratorio donde Park realizó la mayoría de los experimentos del estudio.
Después de exprimir muestras de diamondoides y dispararlas con un láser, los investigadores utilizaron un segundo, rayo láser más frío para ayudar a caracterizar el diamante resultante. Crédito:Andrew Brodhead
Para sintetizar diamantes, El equipo de investigación comenzó con tres tipos de polvo refinado de camiones cisterna llenos de petróleo. "Es una pequeña cantidad, ", dijo Mao." Usamos una aguja para recoger un poco y ponerlo bajo un microscopio para nuestros experimentos ".
De un vistazo el inodoro, los polvos ligeramente pegajosos se parecen a la sal de roca. Pero un ojo entrenado que mira a través de un microscopio potente puede distinguir los átomos dispuestos en el mismo patrón espacial que los átomos que componen el cristal de diamante. Es como si el intrincado entramado de diamantes hubiera sido cortado en unidades más pequeñas compuestas por uno, dos o tres jaulas.
A diferencia del diamante, que es carbono puro, los polvos, conocidos como diamondoides, también contienen hidrógeno. "Comenzando con estos componentes básicos, "Mao dijo, "puede hacer diamantes de forma más rápida y sencilla, y también podrás conocer el proceso de una forma más completa, de una manera más reflexiva que si simplemente imitaras la alta presión y la alta temperatura que se encuentran en la parte de la Tierra donde el diamante se forma naturalmente ".
Diamondoides bajo presión
Los investigadores cargaron las muestras de diamondoides en una cámara de presión del tamaño de una ciruela llamada celda de yunque de diamante. que presiona el polvo entre dos diamantes pulidos. Con solo girar un tornillo con la mano, el dispositivo puede crear el tipo de presión que podría encontrar en el centro de la Tierra.
Próximo, calentaron las muestras con un láser, examinó los resultados con una batería de pruebas, y ejecutó modelos de computadora para ayudar a explicar cómo se había desarrollado la transformación. "Una pregunta fundamental que intentamos responder es si la estructura o el número de jaulas afecta la forma en que las diamondoides se transforman en diamantes, "Lin dijo. Encontraron que el diamondoide de tres jaulas, llamado triamantano, puede reorganizarse en diamante con sorprendentemente poca energía.
A 900 Kelvin, que es aproximadamente 1160 grados Fahrenheit, o la temperatura de la lava al rojo vivo, y 20 gigapascales, una presión cientos de miles de veces mayor que la atmósfera de la Tierra, Los átomos de carbono del triamantano se alinean y su hidrógeno se dispersa o cae.
La transformación se desarrolla en una mínima fracción de segundo. También es directo:los átomos no atraviesan otra forma de carbono, como el grafito, en camino a hacer diamantes.
El diminuto tamaño de muestra dentro de una celda de yunque de diamante hace que este enfoque no sea práctico para sintetizar mucho más que las motas de diamante que el equipo de Stanford produjo en el laboratorio. Dijo Mao. "Pero ahora sabemos un poco más sobre las claves para hacer diamantes puros".
