Uma série de imagens mostra um pequeno nanodiamante (a mancha escura no canto inferior direito) revertendo para antracito. Cientistas da Rice University viram nanodiamantes se formarem no carvão hidrogenado quando atingidos pelo feixe de elétrons usado em microscópios eletrônicos de transmissão de alta resolução. Mas diamantes menores como este se degradaram com as imagens subsequentes. A barra de escala é de 1 nanômetro. Crédito:Billups Lab / Rice University
(Phys.org) - Imagens tiradas por cientistas da Rice University mostram que alguns diamantes não são para sempre. Os pesquisadores do Rice por trás de um novo estudo que explica a criação de nanodiamantes no carvão tratado também mostram que alguns diamantes microscópicos duram apenas alguns segundos antes de se transformarem em formas menos estruturadas de carbono sob o impacto de um feixe de elétrons.
A pesquisa do químico de arroz Ed Billups e seus colegas aparece no American Chemical Society's Journal of Physical Chemistry Letters .
Billups e Yanqiu Sun, um ex-pesquisador de pós-doutorado em seu laboratório, testemunhou o efeito interessante enquanto trabalhava em maneiras de reduzir quimicamente o carbono do carvão antracítico e torná-lo solúvel. Primeiro eles notaram nanodiamantes se formando em meio ao amorfo, camadas de grafite com infusão de hidrogênio.
Aconteceu, eles descobriram, quando eles tiraram close-ups do carvão com um microscópio eletrônico, que dispara um feixe de elétrons no ponto de interesse. Inesperadamente, os aglomerados congelados de entrada de energia de átomos de carbono hidrogenados, alguns dos quais assumiram a estrutura semelhante a uma rede de nanodiamantes.
"O feixe é muito poderoso, "Billups disse." Para arrancar átomos de hidrogênio de algo requer uma quantidade enorme de energia. "
Os pontos escuros nessas imagens são nanodiamantes formados em carvão antracito hidrogenado quando atingidos por feixes de um microscópio eletrônico, de acordo com pesquisadores da Rice University. Crédito:Billups Lab / Rice University
Mesmo sem o tipo de pressão necessária para fazer diamantes em macroescala, a energia liberou átomos de hidrogênio para provocar uma reação em cadeia entre as camadas de grafite do carvão que resultou em diamantes entre 2 e 10 nanômetros de largura.
Mas o mais "nano" dos nanodiamantes foi visto a desaparecer sob a força do feixe de elétrons em uma sucessão de imagens obtidas ao longo de 30 segundos.
"Os pequenos diamantes não são estáveis e voltam ao material de partida, o antracite, "Billups disse.
Billups procurou o físico teórico Boris Yakobson de Rice e seus colegas do Instituto Tecnológico de Superhard e Novos Materiais de Carbono em Moscou para explicar o que os químicos viram. Yakobson, Pavel Sorokin e Alexander Kvashnin já haviam criado um gráfico - chamado de diagrama de fase - que demonstrava como filmes finos de diamante podem ser feitos sem grande pressão.
Eles usaram cálculos semelhantes para mostrar como os nanodiamantes podem se formar no antracito tratado e no carvão sub-betuminoso. Nesse caso, o feixe do microscópio eletrônico libera átomos de hidrogênio das camadas de carbono. Em seguida, as ligações pendentes compensam conectando-se a uma camada de carbono adjacente, que é solicitado a se conectar à próxima camada. A reação fecha os átomos em uma matriz característica do diamante até que a pressão force o processo a parar.
Natural, diamantes em macroescala requerem pressões e temperaturas extremas para se formar, mas o diagrama de fase deve ser reconsiderado para nanodiamantes, disseram os pesquisadores.
"Há uma janela de estabilidade para diamantes na faixa de 19-52 angstroms (décimos de nanômetro), além do qual o grafite é mais estável, "Disse Billups. Nanodiamantes estáveis de até 20 nanômetros de tamanho podem ser formados na antracita hidrogenada, eles encontraram, embora os menores nanodiamantes fossem instáveis sob contínua radiação de feixe de elétrons.
Billups observou subsequentes experimentos de feixe de elétrons com antracita primitiva sem formação de diamantes, enquanto os testes com infusões menos robustas de hidrogênio levaram a regiões com "franjas semelhantes a cebola" de carbono grafítico, mas nenhum diamante totalmente formado. Ambos os experimentos deram suporte à necessidade de hidrogênio suficiente para formar nanodiamantes.
Kvashnin é um ex-aluno visitante da Rice e um aluno de pós-graduação no Instituto de Física e Tecnologia de Moscou (MIPT). Sorokin tem cargos no MIPT e na Universidade Nacional de Ciência e Tecnologia, Moscou. Yakobson é professor Karl F. Hasselmann de Engenharia Mecânica e Ciência dos Materiais de Rice, professor de química e membro do Instituto Richard E. Smalley de Ciência e Tecnologia em Nanoescala. Billups é professor de química na Rice.
