p Em um novo relatório publicado em Avanços da Ciência , Sulgiye Park e uma equipe de pesquisa em ciências geológicas, materiais e ciências da energia, pesquisa avançada e fontes de radiação avançadas nos EUA e em Pequim, China, desenvolveu um nanomaterial à base de carbono com propriedades excepcionais. Eles usaram novos "diamantóides" como um precursor promissor para desenvolver induzido por laser, diamantes de alta pressão e alta temperatura. As condições de pressão e temperatura mais baixas para produzir diamantes no estudo foram 12 GPa a aproximadamente 2.000 K e 900 K a uma pressão de 20 GPa, respectivamente. O trabalho mostrou uma barreira de transformação substancialmente reduzida em comparação com a síntese de diamante usando alótropos de hidrocarbonetos convencionais. Park et al. creditaram as observações às semelhanças estruturais e ao sp completo ³ hibridização de diamantóides e diamante bruto. p A conversão de diamante em diamante no trabalho ocorreu rapidamente dentro de 19 µs a 20 GPa. Usando simulações de dinâmica molecular, eles mostraram que a desidrogenação permitiu que as gaiolas de carbono diamondoide remanescentes se reconstruíssem em estruturas semelhantes a diamante em alta pressão e temperatura ( P-T ) O estudo mapeou com sucesso as condições P-T e o tempo de início da conversão do diamondoide em diamante para explicar claramente os fatores químicos e físicos que facilitam a síntese do diamante.

p O diamante tem muitas propriedades excelentes e é um dos materiais mais importantes técnica e comercialmente. Desde as primeiras tentativas de sintetizar diamantes na década de 19 ^º século, os cientistas de materiais desenvolveram esforços conjuntos para desenvolver abordagens e precursores com eficiência energética para gerar diamantes de alta qualidade. Devido à barreira de alta energia para a transformação direta de precursores de carbono em fase de diamante, um reagente é normalmente necessário. Para compreender os mecanismos subjacentes à tecnologia de síntese de diamante, projetar um novo sistema precursor para síntese fácil de diamante com uma redução de energia e barreira de tempo é um avanço crítico.

p Os diamantóides são a menor forma de gaiolas de carbono terminadas em hidrogênio que podem ser sobrepostas na estrutura do diamante. Os materiais são feitos inteiramente de sp ³ - ligações hibridizadas e incluem outras propriedades excepcionais, incluindo rigidez, estabilidade térmica e uniformidade em nível atômico, em relação ao diamante a granel. Embora estudos anteriores validem o uso de diamantóides como precursores de diamante promissores, os cientistas procuram compreender as vias mecanicistas da transformação do diamantóide em diamante por meio de investigações sistemáticas da fase de pressão-temperatura (P-T). Para conseguir isso, Park et al. usaram células de bigorna de diamante aquecidas a laser (DACs) para explorar a síntese de diamante de uma série de diamantóides inferiores, como o adamantano, diamantano e triamantano sem o uso de reagente adicional. A equipe de pesquisa observou a transformação de diamantóides inferiores em diamantes em uma barreira de energia e temporal substancialmente reduzida, quando comparado com outros materiais (hidro) carbono no limite P-T mais baixo. As descobertas esclarecem as propriedades básicas e os mecanismos que regem a conversão de hidrocarbonetos em diamante para síntese de diamante com eficiência de energia e tempo.

p Após o aquecimento a laser de diamantóides em alta pressão, Park et al. observaram duas fases distintas contribuindo para a formação do grafite e do diamante cúbico. Em 20 GPa e ~ 1200 a 2200 K, diamante formado como o produto dominante sem sinais de grafite. Os resultados mostraram que se a equipe não superou a barreira cinética de transição de fase por meio de um aumento da duração do aquecimento a laser ou temperatura mais alta, carbono amorfo tipo diamante hidrogenado formado ao lado do diamante. Quando a equipe otimizou as condições, a transição de fase diamantóide para diamante ocorreu diretamente sem a formação de grafite. Park et al. usaram imagens de microscopia eletrônica de transmissão (TEM) para verificar a formação de diamante de triamantano a 20 GPa e 2.000 K.

p Quando os cientistas compararam os diagramas de síntese P-T para os três diamondoides inferiores com materiais convencionais, como grafite, eles observaram um limiar de temperatura muito mais baixo para a formação de diamante. Dos três diamantóides estudados, o triamantano requer a temperatura mais baixa para formar o diamante a uma determinada pressão. A equipe também investigou o tempo de início da formação do diamante, controlando a duração do aquecimento do laser para o adamantano, diamantano e triamantano. Eles realizaram uma análise qualitativa do tamanho da partícula de diamante usando difração de potência de raio-X bidimensional (XRD) para mostrar o tamanho de grão de diamante aumentado com maior aquecimento a laser. A transformação foi caracterizada por uma transição gradual de uma linha de difração ampla e fraca típica de um diamante de tamanho nanométrico para formar linhas estreitas e pontilhadas em tempos mais longos, características de crescimento de grãos em diamante policristalino.

p A equipe também usou simulações de dinâmica molecular ad initio (AIMD) para apoiar os resultados experimentais e confirmou a via de transformação de diamondoide em diamante. A função de distribuição radial do comprimento da ligação carbono-carbono e a função de distribuição angular do ângulo C-C-C acompanharam a transformação estrutural. Os cientistas notaram o aumento da coordenação C-C tripla e a diminuição da coordenação dupla - longe de características semelhantes ao grafite. A uma pressão elevada de 40 GPa, 80 por cento dos átomos de carbono mostraram uma coordenação quádrupla para indicar uma mudança em direção a uma estrutura semelhante a um diamante. Todas as observações posteriores foram consistentes com a formação de diamante.

p Park et al. creditaram as semelhanças entre diamondoides inferiores e diamante bruto para esclarecer a barreira de energia reduzida observada para a formação de diamante em comparação com alótropos de carbono convencionais. O cálculo do AIMD também mostrou que os diamantóides mantinham uma 'memória' específica da estrutura do diamante em alto P-T. Entre os diamondoides inferiores investigados, a equipe observou que o triamantano exige o menor P-T para a formação de diamante. Embora tanto o adamantano quanto o diamantano exigissem pelo menos três estruturas de carbono especificamente orientadas para formar uma estrutura de diamante cúbico, apenas duas estruturas de carbono triamantano precisam ser ligadas para se transformar em diamante cúbico estendido. A presença de átomos de carbono quaternários e átomos de carbono terciários circundantes dentro da estrutura de triamantano facilitou ainda mais este processo.

p Desta maneira, Sulgiye Park e colegas mostraram que os diamantóides são candidatos promissores para a síntese de diamantes. O trabalho oferece um caminho energeticamente superior para formar diamante na ordem de microssegundos, sem reagentes adicionais que podem alterar a pureza do diamante resultante. Os resultados detalham as propriedades básicas e as vias mecanísticas que afetam a conversão fácil de hidrocarboneto em diamante. O trabalho indica um uso promissor de diamantóides para síntese fácil de diamantes e para investigar defeitos de emissão de luz em diamantes para uma variedade de aplicações técnicas em física quântica e ciências biológicas. Os precursores eficientes em termos de energia e tempo podem ser dopados ou funcionalizados com elementos de defeito direcionados para que os cientistas entendam melhor e descubram o centro de cor (defeito do cristal) contendo diamantes. p © 2020 Science X Network