En las sociedades actuales, la palabra "diamante" trae a la mente una serie de imágenes. Implica historias de fuerza, riqueza y estatus. Pero elimine estas asociaciones y se revelarán los usos científicos del material. Los diamantes son transparentes, extremadamente rígidos y no representan ningún peligro para el tejido vivo. Recientemente, los investigadores han comenzado a cultivar películas de diamante policristalino ultradelgadas en laboratorios. Estas películas, que tienen muchas de las propiedades de las gemas de diamantes, podrían tener una serie de aplicaciones biomédicas y de sensores. Además, al estar fabricados en carbono, no requieren de ningún material costoso o difícil de conseguir.

El científico Dr. Stoffel Janssens, de la Unidad de Mecánica y Materiales de la Universidad de Graduados del Instituto de Ciencia y Tecnología de Okinawa (OIST), ha simulado el crecimiento de películas de diamante policristalino poroso y cerrado. Las películas porosas de diamante, aquellas con agujeros dispersos por toda la película, podrían usarse algún día como plataformas para el crecimiento de neuronas y otras células. Las simulaciones fueron un éxito, revelaron estructuras geométricas interesantes dentro de las películas y resultaron en una publicación en Acta Materialia .

"Las simulaciones nos han brindado una visión prometedora de lo que podríamos hacer en nuestro laboratorio", explicó el Dr. Janssens. "Actualmente, las películas porosas requieren técnicas complicadas para fabricarse. Queremos poder crearlas de una manera simple y rentable. Las simulaciones han arrojado luz sobre cuánto tiempo debemos hacer crecer las películas, qué tamaño deben tener los granos y qué podemos esperar de los resultados".

Para hacer crecer películas de diamante policristalino, se siembran granos de nanodiamante en un sustrato. En las condiciones adecuadas, estos granos se convertirán en cristalitos de diamante columnares que luego se expandirán para conectarse entre sí. Con el tiempo, estas conexiones se fortalecen, dando como resultado un material robusto. Las simulaciones bidimensionales permitieron al Dr. Janssens y sus colaboradores observar las consecuencias detalladas de variar el tamaño del grano y la distribución inicial del grano. Descubrieron que a medida que crece una película de diamante, los límites de grano que se forman entre los granos crean un diagrama bien conocido.

"Se llama el diagrama de Voronoi", explicó el Dr. Janssens. "Los investigadores lo conocen en muchas áreas diferentes de la ciencia y la ingeniería, desde biólogos que modelan estructuras celulares y óseas hasta epidemiólogos que buscan identificar la fuente de una infección y ecólogos que estudian los patrones de crecimiento del dosel forestal".

Cuando los investigadores cambiaron la densidad del grano, surgieron diferentes variaciones del diagrama. Las simulaciones muestran que una alta densidad inicial de granos conduce a un diagrama que se asemeja a un patrón de panal con poros que se distribuyen uniformemente a lo largo de la película, mientras que una menor densidad inicial de granos conduce a distribuciones de poros que son menos uniformes.

El Dr. Janssens también examinó las transiciones topológicas que ocurren en diferentes etapas durante el crecimiento de una película. La primera transición notable ocurre cuando todos los granos están conectados, formando una película porosa. La segunda transición notable ocurre cuando los granos están fuertemente conectados, formando una película cerrada sin poros. Sobre la base de sus simulaciones, los investigadores investigaron la tasa de supervivencia de los agujeros de alfiler y exploraron estrategias para minimizar la posibilidad de que los agujeros de alfiler estén presentes en una película cerrada final.

"Las simulaciones de películas de diamantes policristalinos contribuyen al campo de la teoría de la percolación continua", explicó el Prof. Eliot Fried, investigador principal de la Unidad de Mecánica y Materiales de OIST. "Además de proporcionar conocimientos prácticos que deberían contribuir al crecimiento eficiente de estas películas en un entorno de laboratorio, esta investigación ha mejorado nuestra comprensión de los problemas topológicos y geométricos subyacentes relacionados con el crecimiento de películas policristalinas de diamante y otros materiales. Esperamos con ansias para aplicar nuestros hallazgos hacia el desarrollo de películas que pueden usarse para la ciencia biomédica, dispositivos cuánticos y otras aplicaciones". + Explora más

Los diamantes son para siempre:nueva base para las nanoestructuras