Em vez de usar toneladas de força de esmagamento e calor vulcânico para forjar diamantes, pesquisadores da Case Western Reserve University desenvolveram uma maneira de fazer nanodiamantes de maneira barata em uma bancada de laboratório à pressão atmosférica e próximo à temperatura ambiente.

Os nanodiamantes são formados diretamente de um gás e não requerem superfície para crescer.

A descoberta é promissora para muitos usos na tecnologia e na indústria, como o revestimento de plásticos com pó de diamante ultrafino e a fabricação de eletrônicos flexíveis, implantes, dispositivos de entrega de drogas e mais produtos que aproveitam as propriedades excepcionais do diamante.

Sua investigação foi publicada hoje na revista científica Nature Communications . As descobertas baseiam-se na tradição de pesquisa de diamantes na Case Western Reserve.

Além de suas aplicações, a descoberta pode oferecer alguns insights sobre nosso universo:uma explicação de como os nanodiamantes vistos no espaço e encontrados em meteoritos podem ser formados.

"Este não é um processo complexo:o vapor de etanol em temperatura e pressão ambiente é convertido em diamante, "disse Mohan Sankaran, professor associado de engenharia química na Case Western Reserve e líder do projeto. "Fluímos o gás através de um plasma, adicione hidrogênio e saem nanopartículas de diamante. Podemos montar isso e fazê-los em quase qualquer laboratório. "

O processo de fabricação dessas pequenas "pedras para sempre" não derrete o plástico, por isso é adequado para certas aplicações de alta tecnologia. Diamante, conhecido por ser difícil, tem excelentes propriedades ópticas e a maior velocidade de som e condutividade térmica de qualquer material.

Ao contrário da outra forma de carbono, grafite, diamante é um semicondutor, semelhante ao silício, que é o material dominante na indústria eletrônica, e arsenieto de gálio, que é usado em lasers e outros dispositivos ópticos.

Embora o processo seja simples, Encontrar as concentrações e fluxos certos - o que os pesquisadores chamam de "ponto ideal" - levou tempo.

Os outros pesquisadores envolvidos foram o pesquisador de pós-doutorado Ajay Kumar, Aluna de doutorado Pin Ann Lin, e o estudante de graduação Albert Xue, da Case Western Reserve; e o professor de física Yoke Khin Yap e o estudante de graduação Boyi Hao, da Michigan Technical University.

Sankaran e John Angus, professor emérito de engenharia química, teve a ideia de cultivar nanodiamantes sem calor ou pressão há cerca de oito anos. A pesquisa de Angus nas décadas de 1960 e 1970 levou ele e outros a desenvolverem uma maneira de cultivar filmes de diamante em baixa pressão e alta temperatura, um processo conhecido como deposição de vapor químico que agora é usado para fazer revestimentos em discos de computador e lâminas de barbear. A especialidade de Sankaran, Enquanto isso, está fazendo nanopartículas usando microplasmas frios.

Geralmente requer altas pressões e altas temperaturas para converter grafite em diamante ou uma combinação de gás hidrogênio e um substrato aquecido para cultivar diamante em vez de grafite.

"Mas na nanoescala, a energia da superfície torna o diamante mais estável do que o grafite, "Sankaran explicou." Nós pensamos que se pudéssemos nuclear aglomerados de carbono na fase gasosa com menos de 5 nanômetros, seriam diamantes em vez de grafite, mesmo em pressão e temperatura normais. "

Depois de vários altos e baixos com o esforço, o processo veio junto quando Kumar se juntou ao laboratório de Sankaran. Os engenheiros produziram diamantes da mesma forma que produziriam fuligem de carbono.

Eles primeiro criam um plasma, que é um estado da matéria semelhante a um gás, mas uma parte está ficando carregada, ou ionizado. Uma faísca é um exemplo de plasma, mas está quente e incontrolável.

Para chegar a temperaturas mais frias e seguras, eles ionizaram gás argônio conforme ele era bombeado para fora de um tubo com a largura de um cabelo de diâmetro, criando um microplasma. Eles bombearam etanol - a fonte de carbono - através do microplasma, Onde, semelhante a queimar um combustível, o carbono se liberta de outras moléculas do gás, e produz partículas de 2 a 3 nanômetros, pequeno o suficiente para se transformar em diamante.

Em menos de um microssegundo, eles adicionam hidrogênio. O elemento remove o carbono que não se transformou em diamante ao mesmo tempo em que estabiliza a superfície da partícula de diamante.

O diamante formado não são os grandes cristais perfeitos usados ​​para fazer joias, mas é um pó de partículas de diamante. Sankaran e Kumar agora estão produzindo diamantes de alta qualidade de forma consistente, com diâmetro médio de 2 nanômetros.

Os pesquisadores passaram cerca de um ano testando para verificar se estavam produzindo diamantes e se o processo poderia ser replicado, Kumar disse. A própria equipe fez diversos testes e trouxe o laboratório de Yap para analisar as nanopartículas por espectroscopia Raman.

Atualmente, os nanodiamantes são feitos pela detonação de um explosivo em um vaso de reator para fornecer calor e pressão. As partículas de diamante devem então ser removidas e purificadas dos elementos contaminantes acumulados ao seu redor. O processo é rápido e barato, mas os nanodiamantes agregam e são de tamanho e pureza variáveis.

A nova pesquisa oferece implicações promissoras. Nanodiamonds, por exemplo, estão sendo testados para transportar drogas para tumores. Como o diamante não é reconhecido como um invasor pelo sistema imunológico, não evoca resistência, a principal razão pela qual a quimioterapia falha.

Sankaran disse que seus nanodiamantes podem oferecer uma alternativa aos diamantes feitos por métodos de detonação porque são mais puros e menores.

O processo do grupo produz três tipos de diamantes:cerca de metade são cúbicos, a mesma estrutura dos diamantes de gema, uma pequena porcentagem é uma forma suspeita de ter hidrogênio preso dentro e cerca de metade são lonsdaleíta, uma forma hexagonal encontrada na poeira interestelar, mas raramente encontrada na Terra.

Um artigo recente no jornal Cartas de revisão física sugere que quando a poeira interestelar colide, uma pressão tão alta está envolvida que o carbono grafítico se transforma em nanodiamantes de londsdaleita.

Sankaran e Kumar afirmam que uma alternativa sem necessidade de alta pressão, como seu método, deve ser considerado, também.

"Talvez estejamos fazendo diamante da mesma forma que o diamante às vezes é feito no espaço sideral, "Propôs Sankaran." Etanol e plasmas existem no espaço sideral, e nossos nanodiamantes são semelhantes em tamanho e estrutura aos encontrados no espaço. "

O grupo agora está investigando se pode ajustar o processo para controlar qual forma de diamante é feita, analisar as estruturas e determinar se cada uma tem propriedades diferentes. Lonsdaleite, por exemplo, é mais difícil do que o diamante cúbico.

Os pesquisadores fizeram uma espécie de tinta spray de nanodiamantes. "Podemos fazer isso em uma única etapa, pulverizando os nanodiamantes à medida que são produzidos a partir do plasma e purificados com hidrogênio, para revestir uma superfície, "Kumar disse.

E estão trabalhando na ampliação do processo para uso industrial.

"Eles serão capazes de aumentar a escala? Isso é sempre um arriscado, "Angus disse." Mas eu acho que pode ser feito, e com taxas muito altas e baratas. Em última análise, pode demorar alguns anos para chegar lá, mas não há nenhuma razão teórica para que isso não possa ser feito. "

Se o processo ampliado for tão simples e barato quanto o processo de laboratório, a indústria encontrará muitas aplicações para o produto, Sankaran disse.