Nel novembre 2020, è stato pubblicato un articolo che riporta la sintesi di a diamante nanocristallino e lonsdaleite a temperatura ambiente, cosa fino ad oggi ritenuta impossibile da realizzare.
La sintesi è stata condotta a una pressione di 80GPa da un precursore campione di carbonio non cristallino. Ciò è stato possibile solo con pressioni e sforzi di taglio elevati, entrambi "importanti per promuovere la formazione delle fasi, poiché possono aiutare a superare le barriere cinetiche", secondo l'articolo.
I risultati dello studio si basano sull'uso di una tecnica di microscopia elettronica molto comune e utilizzata in cristallografia, il campo sperimentale che studia la disposizione degli atomi nei solidi cristallini, nel caso del presente articolo, il diamante e la lonsdaleite.
Il diamante, il piccolo (o meno) e prezioso pezzo di roccia lucente, non è solo un gioiello costoso, ma anche un materiale immensamente importante grazie alle sue proprietà, che gli permettono di essere utilizzato in ambienti normali ed estremi.
Alcune proprietà utili sono, tra le altre, l'estrema durezza, l'elevata conduttività termica e l'impiego in applicazioni biomediche.
La lonsdaleite è un materiale simile al diamante con poche differenze nella struttura cristallina rispetto al diamante, mentre il diamante presenta una struttura cristallina cubica con un carbonio legato in modo tetraedrico, la Lonsdaleite ha una struttura cristallina esagonale, una forma di riarrangiamento meno comune.
La maggior parte delle ricerche sulla sintesi del diamante riporta la necessità di due forme di eccitazione per superare l'elevata barriera cinetica dei cambiamenti di fase del materiale.
Per sintetizzare il diamante e la lonsdaleite in laboratorio si utilizzano solitamente alta pressione e temperatura elevata.
Oggi gli scienziati dispongono di un diagramma che mostra gli stati fisici di alcuni materiali in base alla temperatura e alla pressione, chiamato "diagramma di pressione". diagramma di fase. Molto famoso e utile strumento di guida per gli scienziati per sapere quale temperatura e pressione sono necessarie per raggiungere uno stato specifico, come quello solido, liquido o gassoso. Negli atomi di carbonio, la grafite e il diamante sono due esempi di stati solidi.
Se si guarda al diagramma del carbonioLo stato di diamante potrebbe essere raggiunto a temperatura ambiente a una pressione di 2GPa, ma in realtà è necessario considerare altri fattori, che possono determinare un'enorme differenza nel risultato finale. Uno di questi fattori citati nell'articolo è sforzo di taglio.
La sollecitazione di taglio è nota come un processo in cui strati paralleli scivolano l'uno sull'altro. Un esempio molto semplice è quando si uniscono le mani e si inizia a farle scivolare l'una sull'altra, ad esempio quando si sente freddo e si vogliono riscaldare le mani: questo movimento crea una sollecitazione di taglio nelle mani o nel materiale utilizzato.
Lo sforzo di taglio può favorire il cambiamento di fase dei materiali. Senza considerare la temperatura, lo stress da taglio risulta essere una componente importante di come "il diamante si può formare in una gamma molto più ampia di ambienti, sia terrestri che extra-terrestri, di quanto si credesse in precedenza", ma sono necessari molti altri studi per confermare gli effetti dello stress da taglio. Anche la formazione della lonsdaleite è stata associata allo stress da taglio.
Nel tentativo di produrre diamante e lonsdaleite a temperatura ambiente, gli scienziati hanno sottoposto i campioni di carbonio vetroso a una compressione di 80×109Pa - è una pressione notevole, molto, molto più di quella che si provava quando si affrontava un normale esame all'università.
Questo numero equivale a quasi 800 mila atmosfere di pressione - noi viviamo sotto una sola atmosfera.
Gli scienziati hanno analizzato i risultati dei campioni attraverso tre diversi tipi di tecniche di microscopia elettronica. Spettroscopia Raman, diffrazione di raggi X e TEM (microscopia elettronica a trasmissione). Vediamo di seguito ognuna di queste tecniche.
Il Spettroscopia Raman è una tecnica che fornisce un'impronta digitale strutturale di uno specifico materiale utilizzando la modi vibrazionali delle molecole.
Il materiale del campione interagisce con una luce monocromatica - di solito un laser - assorbendo ed emettendo fotoni in modo anelastico; in altre parole, la vibrazione molecolare del campione assorbe un certo numero di fotoni, la cui quantità assorbita è diversa da quella emessa.
Questa differenza viene rilevata e il risultato finale permette agli scienziati di ottenere informazioni strutturali sul campione.
La diffrazione dei raggi X La tecnica di analisi a raggi X prevede l'utilizzo di un fascio di elettroni al posto della luce monocromatica. In virtù dei modelli di disposizione degli atomi della struttura cristallina, quando il fascio di raggi X raggiunge il campione, si diffrange in molti angoli e direzioni diverse.
Gli scienziati possono misurare gli angoli e le intensità del fascio diffratto, trasformando i dati in un'immagine tridimensionale con le posizioni degli atomi nel cristallo.
Il TEM, microscopia elettronica a trasmissione è una tecnica di microscopia che utilizza un fascio di elettroni al posto della luce, nonché la diffrazione di raggi X.
Il campione viene esposto al fascio, che lo attraversa producendo un'immagine con l'aiuto di un rilevatore di fluorescenza.
Questa tecnica richiede una preparazione del campione su una griglia ed è etichettata come tecnica evasiva a causa della perdita del campione, che viene distrutto durante l'analisi.
Dopo il tentativo di produrre un diamante, i ricercatori hanno scoperto attraverso il Raman che i campioni erano costituiti solo da materiale grafitico.
Tuttavia, i modelli di diffrazione dei raggi X hanno mostrato un risultato diverso, dimostrando la presenza di lonsdaleite (12%), diamante (3%) e grafite (85%).
Questi risultati divergenti si spiegano con le differenze di ciascuna tecnica. Il Raman è in grado di analizzare solo la superficie dei materiali, mentre la diffrazione di raggi X può attraversare l'intero spessore del campione.
Nel complesso, questo risultato dimostra che la formazione di materiali duri come il diamante è il risultato non solo della pressione e della temperatura.
E altri fattori possono indurre la formazione del materiale, come lo sforzo di taglio o fattori che la scienza non conosce ancora.
Forse in futuro, quando questa tecnica di compressione si sarà affermata meglio, rendendo meno costosa la produzione di diamanti, la scienza sarà in grado di sfruttare appieno questo materiale.
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