En lugar de tener que usar toneladas de fuerza aplastante y calor volcánico para forjar diamantes, Los investigadores de la Universidad Case Western Reserve han desarrollado una forma de fabricar nanodiamantes de forma económica en una mesa de laboratorio a presión atmosférica y casi a temperatura ambiente.

Los nanodiamantes se forman directamente a partir de un gas y no requieren superficie para crecer.

El descubrimiento es prometedor para muchos usos en la tecnología y la industria, como recubrir plásticos con polvo de diamante ultrafino y fabricar componentes electrónicos flexibles, implantes, dispositivos de administración de fármacos y más productos que aprovechan las propiedades excepcionales del diamante.

Su investigación se publica hoy en la revista científica Comunicaciones de la naturaleza . Los hallazgos se basan en una tradición de investigación de diamantes en Case Western Reserve.

Más allá de sus aplicaciones, el descubrimiento puede ofrecer una idea de nuestro universo:una explicación de cómo se pueden formar los nanodiamantes vistos en el espacio y encontrados en los meteoritos.

"Este no es un proceso complejo:el vapor de etanol a temperatura y presión ambiente se convierte en diamante, "dijo Mohan Sankaran, profesor asociado de ingeniería química en Case Western Reserve y líder del proyecto. "Hacemos fluir el gas a través de un plasma, agregue hidrógeno y salgan nanopartículas de diamante. Podemos juntar esto y hacerlos en casi cualquier laboratorio ".

El proceso para hacer estas pequeñas "piedras para siempre" no derretirá el plástico, por lo que es adecuado para ciertas aplicaciones de alta tecnología. Diamante, famoso por ser duro, tiene excelentes propiedades ópticas y la mayor velocidad de conductividad térmica y acústica de cualquier material.

A diferencia de la otra forma de carbono, grafito, el diamante es un semiconductor, similar al silicio, que es el material dominante en la industria electrónica, y arseniuro de galio, que se utiliza en láseres y otros dispositivos ópticos.

Si bien el proceso es simple, encontrar las concentraciones y los flujos correctos, lo que los investigadores llaman el "punto óptimo", tomó tiempo.

Los otros investigadores involucrados fueron el investigador postdoctoral Ajay Kumar, Estudiante de doctorado Pin Ann Lin, y el estudiante de pregrado Albert Xue, de Case Western Reserve; y el profesor de física Yoke Khin Yap y el estudiante de posgrado Boyi Hao, de la Universidad Técnica de Michigan.

Sankaran y John Angus, profesor emérito de ingeniería química, Se le ocurrió la idea de cultivar nanodiamantes sin calor ni presión hace unos ocho años. La investigación de Angus en las décadas de 1960 y 1970 lo llevó a él y a otros a idear una forma de cultivar películas de diamantes a baja presión y alta temperatura. un proceso conocido como deposición química de vapor que ahora se usa para hacer recubrimientos en discos de computadora y hojas de afeitar. La especialidad de Sankaran, mientras tanto, está fabricando nanopartículas usando microplasmas fríos.

Por lo general, se requieren altas presiones y altas temperaturas para convertir el grafito en diamante o una combinación de gas hidrógeno y un sustrato calentado para hacer crecer el diamante en lugar del grafito.

"Pero a nanoescala, La energía superficial hace que el diamante sea más estable que el grafito. "Explicó Sankaran." Pensamos que si podíamos nuclear cúmulos de carbono en la fase gaseosa que tuvieran menos de 5 nanómetros, serían diamantes en lugar de grafito incluso a presión y temperatura normales ".

Después de varios altibajos con el esfuerzo, el proceso se concretó cuando Kumar se unió al laboratorio de Sankaran. Los ingenieros produjeron diamantes de forma muy similar a como producirían hollín de carbono.

Primero crean un plasma, que es un estado de la materia similar a un gas pero una parte se está cargando, o ionizado. Una chispa es un ejemplo de plasma, pero hace calor e incontrolable.

Para llegar a temperaturas más frías y seguras, Ionizaron gas argón cuando se bombeó de un tubo de un diámetro de un cabello, creando un microplasma. Bombearon etanol, la fuente de carbono, a través del microplasma, dónde, similar a quemar un combustible, el carbono se libera de otras moléculas del gas, y produce partículas de 2 a 3 nanómetros, lo suficientemente pequeños como para convertirse en diamantes.

En menos de un microsegundo agregan hidrógeno. El elemento elimina el carbono que no se ha convertido en diamante y al mismo tiempo estabiliza la superficie de las partículas de diamante.

El diamante formado no son los grandes cristales perfectos que se utilizan para hacer joyas, pero es un polvo de partículas de diamante. Sankaran y Kumar ahora fabrican constantemente diamantes de alta calidad con un diámetro promedio de 2 nanómetros.

Los investigadores pasaron aproximadamente un año de pruebas para verificar que estaban produciendo diamantes y que el proceso podría replicarse. Dijo Kumar. El equipo realizó diferentes pruebas y llevó al laboratorio de Yap para analizar las nanopartículas mediante espectroscopía Raman.

En la actualidad, Los nanodiamantes se obtienen al detonar un explosivo en la vasija de un reactor para proporcionar calor y presión. Luego, las partículas de diamante deben eliminarse y purificarse de los elementos contaminantes acumulados a su alrededor. El proceso es rápido y económico, pero los nanodiamantes se agregan y son de diferente tamaño y pureza.

La nueva investigación ofrece implicaciones prometedoras. Nanodiamantes, por ejemplo, se están probando para transportar medicamentos a los tumores. Debido a que el sistema inmunológico no reconoce el diamante como un invasor, no evoca resistencias, la principal razón por la que falla la quimioterapia.

Sankaran dijo que sus nanodiamantes pueden ofrecer una alternativa a los diamantes hechos por métodos de detonación porque son más puros y más pequeños.

El proceso del grupo produce tres tipos de diamantes:aproximadamente la mitad son cúbicos, la misma estructura que los diamantes de gema, un pequeño porcentaje son una forma sospechosa de tener hidrógeno atrapado en el interior y aproximadamente la mitad son lonsdaleita, una forma hexagonal que se encuentra en el polvo interestelar pero que rara vez se encuentra en la Tierra.

Un artículo reciente en la revista Cartas de revisión física sugiere que cuando el polvo interestelar choca, Se trata de una presión tan alta que el carbono grafítico se convierte en nanodiamantes de londsdaleita.

Sankaran y Kumar sostienen que una alternativa sin requisitos de alta presión, como su método, debería ser considerado, también.

"Tal vez estemos haciendo diamantes de la forma en que a veces se hace el diamante en el espacio exterior, ", Propuso Sankaran." El etanol y los plasmas existen en el espacio exterior, y nuestros nanodiamantes son similares en tamaño y estructura a los que se encuentran en el espacio ".

El grupo ahora está investigando si puede ajustar el proceso para controlar qué forma de diamante se fabrica. analizando las estructuras y determinando si cada una tiene propiedades diferentes. Lonsdaleita, por ejemplo, es más duro que el diamante cúbico.

Los investigadores han creado una especie de pintura en aerosol de nanodiamantes. "Podemos hacer esto en un solo paso, pulverizando los nanodiamantes a medida que se producen a partir del plasma y se purifican con hidrógeno, para revestir una superficie, "Dijo Kumar.

Y están trabajando para ampliar el proceso para uso industrial.

"¿Podrán escalar? Eso siempre es una tontería, ", Dijo Angus." Pero creo que se puede hacer, ya precios muy elevados y económicos. Por último, puede que tarden algunos años en llegar, pero no hay ninguna razón teórica por la que no se pueda hacer ".

Si el proceso de ampliación es tan simple y económico como el proceso de laboratorio, la industria encontrará muchas aplicaciones para el producto, Dijo Sankaran.