Nas sociedades atuais, a palavra "diamante" traz à mente uma série de imagens. Envolve histórias de força, riqueza e status. Mas retire essas associações e os usos científicos do material são revelados. Os diamantes são transparentes, extremamente rígidos e não representam nenhum perigo para os tecidos vivos. Recentemente, os pesquisadores começaram a cultivar filmes de diamante policristalino ultrafinos em laboratórios. Esses filmes, que possuem muitas das propriedades das gemas de diamante, podem ter várias aplicações biomédicas e de sensores. Além disso, como são feitos de carbono, não requerem materiais caros ou difíceis de obter.
O cientista da equipe Dr. Stoffel Janssens, da Unidade de Mecânica e Materiais da Universidade de Pós-Graduação do Instituto de Ciência e Tecnologia de Okinawa (OIST), simulou o crescimento de filmes de diamante policristalino poroso e fechado. Filmes de diamantes porosos – aqueles com buracos espalhados por todo o filme – poderiam um dia ser usados ​​como plataformas para o crescimento de neurônios e outras células. As simulações foram um sucesso, revelando estruturas geométricas interessantes dentro dos filmes, e resultando em uma publicação na Acta Materialia .

"As simulações nos deram uma visão promissora do que podemos fazer em nosso laboratório", explicou o Dr. Janssens. "Os filmes porosos atualmente exigem técnicas complicadas para fazer. Queremos ser capazes de criá-los de uma maneira simples e econômica. As simulações esclareceram quanto tempo devemos cultivar os filmes, quão grandes devem ser os grãos e quais podemos esperar dos resultados."

Para crescer filmes de diamante policristalino, grãos de nano-diamante são semeados em um substrato. Nas condições certas, esses grãos se transformarão em cristalitos de diamante colunar que se expandirão para se conectarem. Com o tempo, essas conexões se fortalecem, resultando em um material robusto. As simulações bidimensionais permitiram ao Dr. Janssens e seus colaboradores observar as consequências detalhadas da variação do tamanho do grão e da distribuição inicial do grão. Eles descobriram que, à medida que um filme de diamante cresce, os limites de grãos que se formam entre os grãos criam um diagrama bem conhecido.

"É chamado de diagrama de Voronoi", explicou o Dr. Janssens. "É conhecido por pesquisadores de muitas áreas diferentes da ciência e engenharia - desde biólogos que modelam estruturas celulares e ósseas até epidemiologistas que procuram identificar a fonte de uma infecção para ecologistas que estudam os padrões de crescimento do dossel da floresta".

Quando os pesquisadores mudaram a densidade de grãos, surgiram diferentes variações do diagrama. As simulações mostram que uma alta densidade inicial de grãos leva a um diagrama que se assemelha a um padrão de favo de mel com poros distribuídos uniformemente pelo filme, enquanto uma densidade inicial mais baixa de grãos leva a distribuições de poros menos uniformes.

Dr. Janssens também examinou as transições topológicas que ocorrem em diferentes estágios durante o crescimento de um filme. A primeira transição notável ocorre quando todos os grãos estão conectados, formando um filme poroso. A segunda transição notável ocorre quando os grãos estão fortemente conectados, formando um filme fechado sem furos. Com base em suas simulações, os pesquisadores investigaram a taxa de sobrevivência dos pinholes e exploraram estratégias para minimizar a chance de pinholes estarem presentes em um filme final fechado.

"As simulações de filmes de diamante policristalino contribuem para o campo da teoria da percolação contínua", explicou o Prof. Eliot Fried, Investigador Principal da Unidade de Mecânica e Materiais do OIST. "Além de fornecer insights práticos que devem contribuir para o crescimento eficiente desses filmes em um ambiente de laboratório, esta pesquisa melhorou nossa compreensão das questões topológicas e geométricas subjacentes relacionadas ao crescimento de filmes policristalinos de diamante e vários outros materiais. Estamos ansiosos para aplicar nossas descobertas no desenvolvimento de filmes que podem ser usados ​​para ciência biomédica, dispositivos quânticos e outras aplicações." + Explorar mais

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