Sembra un'alchimia:prendi un ciuffo di polvere bianca, spremerlo in una camera a pressione tempestata di diamanti, quindi esploderlo con un laser. Apri la camera e trova all'interno un nuovo granello microscopico di puro diamante.

Un nuovo studio della Stanford University e dello SLAC National Accelerator Laboratory rivela come, con un'attenta regolazione del calore e della pressione, quella ricetta può produrre diamanti da un tipo di molecola di idrogeno e carbonio che si trova nel petrolio greggio e nel gas naturale.

"La cosa eccitante di questo documento è che mostra un modo per ingannare la termodinamica di ciò che è tipicamente richiesto per la formazione del diamante, " ha detto il geologo di Stanford Rodney Ewing, un coautore sulla carta, pubblicato il 21 febbraio sulla rivista Progressi scientifici .

Gli scienziati hanno sintetizzato diamanti da altri materiali per più di 60 anni, ma la trasformazione richiede tipicamente quantità eccessiva di energia, tempo o l'aggiunta di un catalizzatore, spesso un metallo, che tende a diminuire la qualità del prodotto finale. "Volevamo vedere solo un sistema pulito, in cui una singola sostanza si trasforma in diamante puro, senza catalizzatore, " ha detto l'autore principale dello studio, Parco Sulgiye, un ricercatore post-dottorato presso la Stanford's School of Earth, Scienze energetiche e ambientali (Stanford Earth).

Comprendere i meccanismi di questa trasformazione sarà importante per applicazioni al di là della gioielleria. Le proprietà fisiche del diamante:durezza estrema, trasparenza ottica, stabilità chimica, alta conduttività termica:lo rendono un materiale prezioso per la medicina, industria, tecnologie di calcolo quantistico e rilevamento biologico.

"Se puoi fare anche piccole quantità di questo diamante puro, quindi puoi drogarlo in modi controllati per applicazioni specifiche, ", ha affermato l'autore senior dello studio Yu Lin, uno scienziato del personale presso lo Stanford Institute for Materials and Energy Sciences (SIMES) presso lo SLAC National Accelerator Laboratory.

Una ricetta naturale

I diamanti naturali si cristallizzano dal carbonio a centinaia di miglia sotto la superficie terrestre, dove le temperature raggiungono migliaia di gradi Fahrenheit. La maggior parte dei diamanti naturali rinvenuti fino ad oggi sono schizzati verso l'alto nelle eruzioni vulcaniche milioni di anni fa, portando con sé antichi minerali dalle profondità della Terra.

Di conseguenza, i diamanti possono fornire informazioni sulle condizioni e sui materiali che esistono all'interno del pianeta. "I diamanti sono vasi per riportare campioni dalle parti più profonde della Terra, " ha detto il fisico minerale di Stanford Wendy Mao, che guida il laboratorio in cui Park ha eseguito la maggior parte degli esperimenti dello studio.

Per sintetizzare i diamanti, il team di ricerca ha iniziato con tre tipi di polvere raffinata da petroliere piene di petrolio. "È una piccola quantità, " ha detto Mao. "Usiamo un ago per raccogliere un po' per metterlo al microscopio per i nostri esperimenti."

A prima vista, l'inodore, le polveri leggermente appiccicose ricordano il salgemma. Ma un occhio allenato che scruta attraverso un potente microscopio può distinguere gli atomi disposti nello stesso schema spaziale degli atomi che compongono il cristallo di diamante. È come se l'intricato reticolo di diamanti fosse stato sminuzzato in unità più piccole composte da una, due o tre gabbie.

A differenza del diamante, che è carbonio puro, le polveri, note come diamondoidi, contengono anche idrogeno. "Partendo da questi elementi costitutivi, "Mao ha detto, "puoi fare il diamante più rapidamente e facilmente, e puoi anche conoscere il processo in modo più completo, modo premuroso che se imitassi solo l'alta pressione e l'alta temperatura che si trovano nella parte della Terra dove il diamante si forma naturalmente".

Diamanti sotto pressione

I ricercatori hanno caricato i campioni di diamante in una camera a pressione delle dimensioni di una prugna chiamata cella a incudine di diamante, che preme la polvere tra due diamanti levigati. Con un semplice giro a mano di una vite, il dispositivo può creare il tipo di pressione che potresti trovare al centro della Terra.

Prossimo, hanno riscaldato i campioni con un laser, esaminato i risultati con una batteria di test, e ha eseguito modelli al computer per aiutare a spiegare come si era svolta la trasformazione. "Una domanda fondamentale a cui abbiamo cercato di rispondere è se la struttura o il numero di gabbie influenzi il modo in cui i diamanti si trasformano in diamante, " disse Lin. Hanno scoperto che il diamante a tre gabbie, chiamato triamantano, può riorganizzarsi in diamante con sorprendentemente poca energia.

A 900 Kelvin, che corrisponde a circa 1160 gradi Fahrenheit, o la temperatura della lava incandescente e 20 gigapascal, una pressione centinaia di migliaia di volte maggiore dell'atmosfera terrestre, Gli atomi di carbonio del triamantano si allineano e il suo idrogeno si disperde o cade.

La trasformazione si svolge nelle più sottili frazioni di secondo. È anche diretto:gli atomi non passano attraverso un'altra forma di carbonio, come grafite, sulla strada per fare il diamante.

La minuscola dimensione del campione all'interno di una cella a incudine di diamante rende questo approccio poco pratico per sintetizzare molto più dei granelli di diamante che il team di Stanford ha prodotto in laboratorio, disse Mao. "Ma ora sappiamo qualcosa in più sulle chiavi per creare diamanti puri".