Os diamantes não são apenas gemas brilhantes e brilhantes para joias. Os menores, com apenas alguns nanômetros de largura, também são cruciais para a entrega de drogas, sensores e processadores de computadores quânticos. A produção de nanopartículas de diamante com tamanho consistente é importante para o sucesso dessas tecnologias. Agora, os cientistas relatam um método para cultivar nanodiamantes ultra-uniformes sem a necessidade de explosivos. A técnica também pode ser usada para adicionar defeitos benéficos de um único átomo em cristais perfeitos.
Os pesquisadores apresentarão seus resultados hoje na reunião de primavera da American Chemical Society (ACS).

"É fascinante que, embora um diamante seja quimicamente bastante simples - é um elemento, o carbono - fazer esse material em escala nanométrica é extremamente difícil", diz Hao Yan, Ph.D., investigador principal do projeto.

O carbono se torna um diamante quando os átomos desse elemento são dispostos em um padrão cúbico 3D rígido sob condições de alta pressão e alta temperatura. Pesquisadores já criaram nanodiamantes em laboratório detonando um explosivo, como o trinitrotolueno (conhecido como TNT), em um recipiente de aço inoxidável selado. A explosão converte o carbono do material explosivo em minúsculas partículas de diamante. No entanto, esse método bruto é difícil de controlar, explica Yan. Os cristais que se formam são desiguais em tamanho, exigindo etapas adicionais para classificá-los para diferentes tecnologias.

Para conceber uma maneira mais precisa de fazer nanodiamantes, o grupo de Yan na Universidade do Norte do Texas analisou a química que a natureza usa. “Percebemos que os lugares onde os diamantes são formados no manto da Terra contêm muitos compostos de ferro e ferro-carbono, incluindo carbonetos e carbonatos”, diz Yan. E quando o carboneto de ferro reage com o óxido de ferro entre a crosta e o manto superior, os diamantes crescem.

Armado com esse conhecimento, Tengteng Lyu, um estudante de pós-graduação no laboratório de Yan que está apresentando seu trabalho na reunião, projetou um processo químico para imitar o ambiente litosférico encontrado abaixo da superfície da Terra. Primeiro, Lyu criou nanopartículas de carboneto de ferro de tamanho uniforme como fonte de carbono para os diamantes. As minúsculas partículas estavam espalhadas por uma matriz de óxido de ferro, como se o carboneto de ferro fossem pedaços de chocolate dentro da massa de biscoito.

Então, Lyu colocou a "massa" precursora de carbono em um ambiente de alta pressão e alta temperatura, semelhante às condições em locais onde os diamantes naturais se formam. Os compostos reagiram e resultaram nanodiamantes muito uniformes. O novo método faz cristais tão pequenos quanto 2 nm de largura com diferenças entre eles de menos de um nanômetro. Yan diz que isso é uma ordem de magnitude melhor do que qualquer um pode fazer sem tratamento pós-sintético adicional ou etapas de purificação.

Criar nanodiamantes uniformes e perfeitos é ótimo, diz Yan, mas esses materiais podem ser ainda mais úteis quando apresentam defeitos, como pontos vazios na estrutura do diamante e a substituição de átomos de carbono vizinhos por nitrogênio, silício, níquel ou outro elemento. Como os átomos que não são de carbono colorem o material levemente, eles são chamados de "centros de cor". As nanopartículas com apenas um centro de cores são altamente desejáveis ​​porque podem armazenar informações com segurança em computadores quânticos e dispositivos de telecomunicações.

Tradicionalmente, um feixe de átomos de alta energia, como nitrogênio ou silício, é usado para bombardear o diamante e incorporar esses elementos na estrutura do cristal. No entanto, este método não pode controlar quantos centros de cores são adicionados a um diamante, exigindo etapas de pós-processamento para obter cristais com um único defeito de átomo. Além disso, de acordo com o extenso trabalho de modelagem computacional de Lyu, quando os diâmetros dos diamantes encolhem para 2-3 nm – a faixa de tamanho que a equipe de Yan agora pode fazer de forma consistente – essa abordagem de feixe atômico se torna energeticamente desfavorável. Mas com seu novo método, Yan acha que eles poderiam projetar uma maneira de substituir um carbono dos milhares presentes em sua "massa" precursora de carbono. Ele estima que agora eles poderiam fazer nanodiamantes centrais de cor única suficientes para alguns milhares de computadores quânticos com um experimento de síntese, embora os minúsculos cristais precisassem ser organizados adequadamente antes que os cálculos pudessem ser feitos.

"Agora temos uma plataforma ideal para conceber uma maneira de fazer um nanodiamante central de cor única, que é um avanço para várias tecnologias relacionadas ao diamante. Mas também, em um sentido mais amplo, seria uma demonstração fascinante de como você pode controlar um único átomo em uma estrutura muito maior", diz Yan. + Explorar mais

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