Em uma conquista surpreendente, uma equipe de cientistas transformou diamante em grafite, usando um laser de raios-X. O que pode parecer indesejável à primeira vista, é um passo decisivo para a compreensão do comportamento fundamental dos sólidos quando absorvem a radiação energética. Pela primeira vez, os pesquisadores de Franz Tavella do SLAC National Accelerator Laboratory nos EUA, Sven Toleikis do DESY e Beata Ziaja do DESY e do Instituto de Física Nuclear de Cracóvia conseguiram acompanhar a grafitização de uma maneira resolvida no tempo. “Além desses aspectos fundamentais, compreender o processo de grafitização é importante para tecnologias baseadas em diamante, uma vez que o diamante é cada vez mais usado para aplicações práticas, "os cientistas escrevem no jornal Física de alta densidade de energia .

Diamante e grafite são formas diferentes de carbono que diferem em sua estrutura cristalina interna. O diamante é a fase de alta pressão que se forma nas profundezas da terra. Em condições normais, diamante é metaestável, o que significa que ele se converte novamente em grafite quando o processo é iniciado com energia suficiente. Existem diferentes maneiras de acionar a conversão de diamante em grafite, por exemplo, simplesmente aquecendo o diamante sob exclusão de oxigênio ou mesmo com um golpe mecânico direcionado. O contrário também funciona:com calor e alta pressão, o grafite pode ser convertido em diamantes sintéticos que já têm um grande mercado mundial.

A equipe usou o laser italiano de elétrons livres de raio X macio FERMI para disparar flashes ultracurtos em minúsculas fatias de diamante com uma espessura de apenas 0,3 milímetros. Usualmente, se você disparar esses pulsos de laser intensos na matéria sólida, torna-se desordenado, ou, como os cientistas chamam, amorfo. Diamond é um exemplo diferente. Ele pode mudar sua estrutura interna para uma ordem diferente, transformando-se assim em grafite. "Em princípio, era sabido que se você enviar energia suficiente para o diamante, deve grafitar, "explica Toleikis." Mas não se sabia exatamente como isso acontece. "

Existem dois caminhos possíveis:a chamada transição térmica comum, durante a qual a energia absorvida é transferida para a rede cristalina interna do diamante até que se reorganize na estrutura de grafite. E um modo não térmico, onde a energia absorvida por apenas uma pequena fração dos elétrons no diamante muda a superfície de energia potencial interna, desencadeando um rearranjo da estrutura cristalina. "A transição não térmica é muito mais rápida do que a térmica, o último ocorrendo em escalas de tempo de picossegundos, "explica o co-autor Ziaja. Um picossegundo é um trilionésimo de segundo.

Além dos experimentos, os pesquisadores do DESY, Nikita Medvedev, Victor Tkachenko e Beata Ziaja desenvolveram um programa de computador para simular a transição de fase em diamante induzida por raios-X. "Nosso código previu que seria não térmico, e nossos experimentos confirmaram que, "diz Ziaja, que trabalha no Center for Free-Electron Laser Science (CFEL) em Hamburgo, uma cooperação de DESY, a Universidade de Hamburgo e a Sociedade Alemã Max Planck. Com os breves pulsos de raios-X da FERMI de aproximadamente apenas 50 femtossegundos de duração, os cientistas conseguiram acompanhar a transição de fase e descobriram que leva cerca de 150 femtossegundos. "É a primeira vez que isso foi observado de uma forma resolvida pelo tempo, "sublinha Toleikis. Um femtossegundo (um quatrilionésimo de segundo) é mil vezes mais curto do que um picossegundo.

"Os pulsos de raios-X excitam os elétrons, "explica o primeiro autor Tavella." Se apenas cerca de 1,5 por cento dos elétrons estão excitados, o cristal já começa a mudar sua organização interna, passando para o estado de grafite. "As observações não apenas resolvem a questão de como o diamante grafitiza quando excitado com raios X. Elas também validam o código de computador usado para a simulação." Agora podemos usar o código para outros materiais também. Já fizemos cálculos para silício e arseneto de gálio, "diz Ziaja." Ele pode ser usado para qualquer experimento de excitação de laser de raio X. "Devido à importância industrial do diamante, sua estabilidade e a questão da grafitização foram investigadas sob vários fatores, como alta pressão, recozimento e lasers ópticos. O advento dos lasers de elétrons livres com seus pulsos ultracurtos agora permitiu aos pesquisadores seguir a transição de fase em uma escala de tempo de femtossegundos.