En noviembre de 2020, se publicó un artículo que informaba de la síntesis de a diamante nanocristalino y lonsdaleita a temperatura ambiente, algo que hasta hoy se consideraba imposible de hacer.
La síntesis se realizó a una presión de 80GPa a partir de un precursor de muestra de carbono no cristalino. Esto sólo fue posible con altas presiones y tensiones de cizallamiento, ambas "importantes para promover la formación de fases, ya que puede ayudar a superar las barreras cinéticas", según el artículo.
Los resultados del estudio radican en el uso de una técnica de microscopía electrónica muy común y bastante utilizada en Cristalografía, que es el campo experimental que estudia la disposición de los átomos en los sólidos cristalinos, en el caso del presente artículo, el Diamante, y la Lonsdaleita.
El diamante, la pequeña (o no) y preciosa pieza de roca brillante, no es sólo una joya costosa, sino también un material inmensamente importante debido a sus propiedades, que le permiten ser utilizado en entornos normales y extremos.
Algunas propiedades útiles son, la extrema dureza, la alta conductividad térmica y también podría utilizarse en aplicaciones biomédicas, entre otras.
La Lonsdaleita es un material similar al diamante con pocas diferencias en la estructura cristalina cuando se compara con el diamante, mientras que el estructura cristalina cúbica con un carbono de enlace tetraédrico, la Lonsdaleita tiene un estructura cristalina hexagonaluna forma menos común de reordenación.
La mayoría de las investigaciones sobre la síntesis del diamante informan de la necesidad de dos formas de excitación para superar la elevada barrera cinética de los cambios de fase del material.
Para sintetizar el diamante y la lonsdaleíta en el laboratorio se suelen emplear altas presiones y elevadas temperaturas.
Hoy en día los científicos disponen de un diagrama que muestra los estados físicos de algún material en función de la temperatura y la presión llamado diagrama de fases. Muy famoso y herramienta guía útil para que los científicos sepan qué temperatura y presión son necesarias para alcanzar un estado específico, como sólido, líquido o gaseoso. En los átomos de carbono, el grafito y el diamante son dos ejemplos de estados sólidos.
Si se mira el diagrama de carbonoEn la actualidad, el estado de diamante podría alcanzarse a temperatura ambiente por encima de la presión de 2GPa, pero en realidad hay que tener en cuenta otros factores, que pueden causar una gran diferencia en el resultado final. Uno de estos factores mencionados en el artículo es tensión de cizallamiento.
La tensión de cizallamiento se conoce como un proceso en el que capas paralelas se deslizan entre sí. Un ejemplo muy sencillo es cuando se juntan las manos y se empieza a deslizar una sobre otra -como cuando se siente frío y se quiere calentar las manos-, este movimiento crea una tensión de cizallamiento en las manos o en el material que se utiliza.
El esfuerzo de cizallamiento puede promover el cambio de fase de los materiales. Sin tener en cuenta la temperatura, el esfuerzo de cizallamiento resulta ser un componente importante de cómo "el diamante puede formarse en una gama mucho más amplia de entornos, tanto terrestres como extraterrestres, de lo que se creía", pero se necesitan muchos más estudios para confirmar los efectos del esfuerzo de cizallamiento. La formación de lonsdaleíta también se ha asociado a la tensión de cizallamiento.
Para tratar de producir diamante y lonsdaleita a temperatura ambiente, los científicos sometieron muestras de carbono vítreo a una compresión de 80×109Pa - eso es mucha presión, mucho, mucho más que la presión que sentías al someterte a un examen normal en la universidad.
Esta cifra equivale a una presión de casi 800 mil atmósferas -vivimos bajo una sola atmósfera-.
Los científicos analizaron los resultados de la muestra mediante tres tipos diferentes de técnicas de microscopía electrónica. Espectroscopia Raman, difracción de rayos X y TEM (microscopía electrónica de transmisión). Veamos cada una de ellas.
El Espectroscopia Raman es una técnica que proporciona una huella estructural de un material específico utilizando la modos vibratorios de las moléculas.
El material de la muestra interactúa con una luz monocromática -generalmente un láser- absorbiendo y emitiendo fotones de forma inelástica, es decir, la vibración molecular de la muestra absorbe un número de fotones, la cantidad absorbida es diferente de la emitida.
Esta diferencia se detecta y el resultado final permite a los científicos obtener información estructural de la muestra.
La difracción de rayos X implica el uso de un haz de electrones en lugar de luz monocromática. En virtud de los patrones de disposición de los átomos de la estructura cristalina, cuando el haz de rayos X llega a la muestra, se difracta en muchos ángulos y direcciones diferentes.
Los científicos pueden medir estos ángulos e intensidades del haz difractado transformando los datos en una imagen tridimensional con las posiciones de los átomos en el cristal.
El TEM, microscopía electrónica de transmisión es una técnica de microscopía que utiliza un haz de electrones en lugar de luz, así como la difracción de rayos X.
La muestra se expone al haz, que la atraviesa produciendo una imagen con ayuda de un detector de fluorescencia.
Esta técnica requiere una preparación de la muestra en una rejilla y está etiquetada como una técnica evasiva debido a la pérdida de la muestra, que se destruye durante el análisis.
Tras el intento de producir un diamante, los investigadores descubrieron mediante Raman que las muestras estaban formadas únicamente por material grafítico.
Sin embargo, los patrones de difracción de rayos X mostraron un resultado diferente, demostrando la presencia de lonsdaleita (12%), diamante (3%) y grafito (85%).
Estos resultados divergentes se explican por las diferencias de cada técnica. El Raman es capaz de analizar sólo la superficie de los materiales, mientras que la difracción de rayos X puede recorrer todo el espesor de la muestra.
En general, este resultado demuestra que la formación de materiales duros como el diamante es resultado no sólo de la presión y la temperatura.
Y otros factores pueden inducir la formación de material, como la tensión de cizallamiento o factores que la ciencia aún no conoce.
Tal vez en el futuro, cuando esta técnica de compresión se haya consolidado mejor, abaratando la producción de diamantes, la ciencia podrá aprovechar al máximo el material.
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