O diamante natural é forjado por tremendas pressões e temperaturas nas profundezas do subsolo. Mas o diamante sintético pode ser cultivado por nucleação, onde minúsculos pedaços de diamante "semeiam" o crescimento de cristais de diamante maiores. A mesma coisa acontece nas nuvens, onde as partículas semeiam o crescimento de cristais de gelo que então se derretem em gotas de chuva.

Os cientistas agora observaram pela primeira vez como os diamantes crescem a partir de sementes em nível atômico, e descobri o quão grande as sementes precisam ser para acelerar o processo de crescimento do cristal.

Os resultados, publicado esta semana em Proceedings of the National Academy of Sciences , lançar luz sobre como a nucleação ocorre não apenas em diamantes, mas na atmosfera, em cristais de silício usados ​​em chips de computador e até mesmo em proteínas que se agregam em doenças neurológicas.

"O crescimento da nucleação é um princípio fundamental da ciência dos materiais, e há uma teoria e uma fórmula que descreve como isso acontece em todos os livros, "diz Nicholas Melosh, um professor da Universidade de Stanford e do Laboratório Nacional do Acelerador SLAC do Departamento de Energia que liderou a pesquisa. "É como descrevemos a passagem de uma fase material para outra, por exemplo, de água líquida a gelo. "

Mas curiosamente, ele diz, "apesar do uso generalizado desse processo em todos os lugares, a teoria por trás disso nunca foi testada experimentalmente, porque observar como o crescimento do cristal começa a partir de sementes em escala atômica é extremamente difícil. "

As menores manchas possíveis

Na verdade, os cientistas sabem há muito tempo que a teoria atual muitas vezes superestima quanta energia é necessária para iniciar o processo de nucleação, e um pouco. Eles descobriram maneiras potenciais de reconciliar a teoria com a realidade, mas até agora essas ideias foram testadas apenas em uma escala relativamente grande, por exemplo, com moléculas de proteína, em vez de na escala atômica onde começa a nucleação.

Para ver como funciona na menor escala, Melosh e sua equipe recorreram a diamondoides, os menores pedaços de diamante possíveis. Os menores contêm apenas 10 átomos de carbono. Essas manchas são o foco de um programa financiado pelo DOE no SLAC e em Stanford, onde diamantóides naturais são isolados de fluidos de petróleo, classificados por tamanho e forma e estudados. Experimentos recentes sugerem que eles podem ser usados ​​como blocos do tipo Lego para a montagem de nanofios ou "bigornas moleculares" para desencadear reações químicas, entre outras coisas.

A última rodada de experimentos foi liderada pelo pesquisador de pós-doutorado de Stanford, Matthew Gebbie. Ele está interessado na química das interfaces - lugares onde uma fase da matéria encontra outra, por exemplo, a fronteira entre o ar e a água. Acontece que as interfaces são extremamente importantes no cultivo de diamantes com um processo chamado CVD, ou deposição de vapor químico, que é amplamente utilizado para fazer diamantes sintéticos para a indústria e joalheria.

"Estou entusiasmado com a compreensão de como o tamanho, a forma e a estrutura molecular influenciam as propriedades dos materiais que são importantes para as tecnologias emergentes, "Gebbie diz." Isso inclui diamantes em nanoescala para uso em sensores e em computação quântica. Precisamos fabricá-los de maneira confiável e com alta qualidade consistente. "

Diamante ou grafite de lápis?

Para cultivar diamantes no laboratório com CVD, minúsculos pedaços de diamante triturado são semeados em uma superfície e expostos a um plasma - uma nuvem de gás aquecida a temperaturas tão altas que os elétrons são arrancados de seus átomos. O plasma contém hidrogênio e carbono, os dois elementos necessários para formar um diamante.

Este plasma pode dissolver as sementes ou fazê-las crescer, Gebbie diz, e a competição entre os dois determina se cristais maiores se formam. Uma vez que existem muitas maneiras de compactar átomos de carbono em um sólido, tudo tem que ser feito nas condições certas; caso contrário, você pode acabar com grafite, comumente conhecido como grafite, em vez das coisas brilhantes que você estava procurando.

As sementes de Diamondoid fornecem aos cientistas um nível muito mais preciso de controle sobre esse processo. Embora sejam muito pequenos para serem vistos diretamente, mesmo com os microscópios mais poderosos, eles podem ser classificados com precisão de acordo com o número de átomos de carbono que contêm e, em seguida, quimicamente anexados à superfície de uma pastilha de silício para que fiquem presos no lugar enquanto são expostos ao plasma. Os cristais que crescem ao redor das sementes eventualmente ficam grandes o suficiente para contar ao microscópio, e foi isso que os pesquisadores fizeram.

O número mágico é 26

Embora os diamantóides tenham sido usados ​​para semear o crescimento de diamantes antes, esses foram os primeiros experimentos para testar os efeitos do uso de sementes de vários tamanhos. A equipe descobriu que o crescimento do cristal realmente decolou com sementes que contêm pelo menos 26 átomos de carbono.

Ainda mais importante, Gebbie diz, eles foram capazes de medir diretamente a barreira de energia que as partículas diamantóides precisam superar para se transformarem em cristais.

“Pensou-se que esta barreira deve ser como uma montanha gigantesca que os átomos de carbono não deveriam ser capazes de atravessar - e, na verdade, por décadas, há uma questão em aberto de por que poderíamos fazer diamantes em primeiro lugar, "ele diz." O que encontramos era mais como uma colina suave. "

Gebbie acrescenta, "Esta é uma pesquisa realmente fundamental, mas no final do dia, estamos realmente entusiasmados e buscando uma maneira previsível e confiável de fazer nanomateriais de diamante. Agora que desenvolvemos o conhecimento científico básico necessário para fazer isso, estaremos procurando maneiras de colocar esses nanomateriais de diamante em uso prático. "