Em novembro de 2020, foi publicado um artigo relatando a síntese de a diamante nanocristalino e lonsdaleite à temperatura ambiente, algo até hoje considerado impossível de ser feito.
A síntese foi realizada sob uma pressão de 80GPa a partir de um precursor de amostra de carbono não cristalino. Isto só foi possível com altas pressões e tensão de cisalhamento, ambas foram "importantes para promover a formação de fases, pois podem ajudar a superar barreiras cinéticas", de acordo com o artigo.
Os resultados do estudo se baseiam no uso de uma técnica muito comum de microscopia eletrônica bastante utilizada em Cristalografia, que é o campo experimental que estuda a disposição dos átomos em sólidos cristalinos, no caso do presente artigo, Diamante, e Lonsdaleite.
O diamante, o pequeno (ou não) e precioso pedaço de rocha brilhante, não é apenas uma jóia cara, mas também um material imensamente importante devido às suas propriedades, permitindo que seja usado em ambientes normais e extremos.
Algumas propriedades úteis são, dureza extrema, alta condutividade térmica e também poderia ser usado em aplicações biomédicas, entre outras.
A Lonsdaleite é um material semelhante ao diamante, com poucas diferenças na estrutura do cristal quando comparado com o diamante, enquanto o diamante tem um estrutura de cristal cúbico com um carbono tetrahedralmente colado, a Lonsdaleite tem um estrutura de cristal hexagonaluma forma menos comum de rearranjo.
A maioria das pesquisas sobre a síntese de diamantes relata a necessidade de duas formas de excitação para superar a alta barreira cinética das mudanças de fase material.
Alta pressão e temperatura elevada são normalmente empregadas para sintetizar o diamante e a lonsdaleite dentro do laboratório.
Os cientistas de hoje têm um diagrama que mostra os estados físicos de algum material com base na temperatura e pressão chamado diagrama de fases. Muito famoso e ferramenta guia útil para os cientistas saberem qual temperatura e pressão são necessárias para atingir um estado específico, como sólido, líquido ou gasoso. Em átomos de carbono, grafite e diamante são dois exemplos de estados sólidos.
Se você olhar para o diagrama de carbonoO estado diamantífero poderia ser alcançado à temperatura ambiente acima da pressão de 2GPa, mas na realidade, outros fatores precisam ser considerados, fatores que podem causar uma enorme diferença no resultado final. Um destes fatores mencionados no artigo é tensão de cisalhamento.
A tensão de cisalhamento é conhecida como um processo onde camadas paralelas deslizam umas através das outras. Um exemplo muito simples disso é quando você junta suas mãos e começa a deslizar uma sobre a outra - como quando você está sentindo frio e quer aquecer suas mãos - esse movimento cria tensão de cisalhamento nas mãos ou no material que está sendo usado.
A tensão de cisalhamento pode promover a mudança de fase dos materiais. Não considerando a temperatura, a tensão de cisalhamento torna-se um componente importante de como "o diamante pode ser formado em uma gama muito maior de ambientes, tanto terrestres quanto extra-terrestres, do que se acreditava anteriormente", mas muitos mais estudos são necessários para confirmar os efeitos da tensão de cisalhamento. A formação do lonsdaleite também tem sido associada ao stress de cisalhamento.
Tentando produzir diamante e lonsdaleite à temperatura ambiente, os cientistas colocam amostras de carbono vítreo sob compressão de 80×109Pa - isso é muita pressão, muito, muito mais do que a pressão que você sentiu ao passar por um teste regular na faculdade.
Este número é equivalente a quase 800 mil pressões na atmosfera - vivemos sob uma única atmosfera.
Os cientistas analisaram os resultados das amostras através de três tipos diferentes de técnicas de microscopia eletrônica. Espectroscopia Raman, difração de raios X e TEM (microscopia eletrônica de transmissão). Vamos verificar cada uma delas.
O Espectroscopia Raman é uma técnica que fornece uma impressão digital estrutural de um material específico utilizando o modos vibracionais das moléculas.
O material da amostra interage com uma luz monocromática - geralmente um laser - absorvendo e emitindo fótons de uma forma inelástica de dispersão, em outras palavras, a vibração molecular da amostra absorve um número de fótons, a quantidade absorvida é diferente da quantidade emitida.
Esta diferença é detectada e o resultado final permite que os cientistas obtenham informações estruturais da amostra.
A difração de raios X técnica envolve o uso de um feixe de elétrons em vez de luz monocromática. Em virtude dos padrões de disposição do átomo da estrutura cristalina, quando o feixe de raios X atinge a amostra, ele se difrata em muitos ângulos e direções diferentes.
Os cientistas podem medir esses ângulos e intensidades do feixe difratado transformando os dados em uma imagem tridimensional com as posições do átomo no cristal.
O TEM, microscopia eletrônica de transmissão é uma técnica de microscopia que utiliza um feixe de elétrons em vez de luz, bem como difração de raios X.
A amostra é exposta ao feixe, que passa por ele produzindo uma imagem com a ajuda de um detector de fluorescência.
Esta técnica requer um preparo da amostra em uma grade e é rotulada como uma técnica evasiva por causa da perda da amostra, sendo destruída durante a análise.
Após a tentativa de produzir um diamante, os pesquisadores descobriram através da Raman que as amostras consistiam apenas de material gráfico.
Entretanto, os padrões de difração de raios X mostraram um resultado diferente, demonstrando a presença de lonsdaleite (12%), diamante (3%) e grafite (85%).
Estes resultados divergentes são explicados pelas diferenças em cada técnica. A Raman é capaz de analisar apenas a superfície dos materiais, enquanto a difração de raios X pode passar por toda a espessura da amostra.
No geral, este resultado prova que a formação de materiais duros como um diamante é resultado não apenas da pressão e da temperatura.
E outros fatores podem induzir a formação de material como o estresse de cisalhamento ou fatores que a ciência ainda não conhece.
Talvez no futuro, quando esta técnica de compressão tiver se estabelecido melhor, barateando a produção de diamantes, a ciência seja capaz de tirar o máximo proveito do material.
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