Diamante, come la grafite, è una forma speciale di carbonio. La sua struttura cristallina cubica e i suoi forti legami chimici gli conferiscono la sua durezza unica. Per migliaia di anni, è stato anche ricercato sia come strumento che come oggetto di bellezza. Solo negli anni '50 divenne possibile per la prima volta produrre diamanti artificialmente.

La maggior parte dei diamanti naturali si forma nel mantello terrestre a una profondità di almeno 150 chilometri, dove prevalgono temperature superiori a 1500 gradi Celsius e pressioni enormemente elevate di diversi gigapascal, più di 10.000 volte superiori a quelle di un pneumatico da bicicletta ben gonfiato. Esistono diverse teorie sugli esatti meccanismi responsabili della loro formazione. Il materiale di partenza sono fusi ricchi di carbonato, cioè composti di magnesio, calcio o silicio che sono ricchi sia di ossigeno che di carbonio.

Un nuovo percorso per la formazione dei diamanti

Poiché i processi elettrochimici avvengono nel mantello terrestre e i fusi e i liquidi che esistono possono avere un'elevata conduttività elettrica, i ricercatori guidati da Yuri Palyanov del V. S. Sobolev Institute of Geology and Mineralogy SB dell'Accademia Russa delle Scienze di Novosibirsk hanno sviluppato un modello per la formazione dei diamanti in cui i campi elettrici altamente localizzati svolgono un ruolo centrale. Secondo questo concetto, applicando anche meno di un volt, una tensione inferiore a quella fornita dalla maggior parte delle batterie domestiche, si ottengono elettroni che innescano un processo di trasformazione chimica. Questi elettroni disponibili rendono possibile che alcuni composti carbonio-ossigeno dei carbonati diventino CO ₂ attraverso una serie di reazioni chimiche, che alla fine porta al carbonio puro sotto forma di diamante.

Per testare la loro teoria, il team di ricerca russo ha sviluppato una sofisticata struttura sperimentale:una capsula di platino di dimensioni millimetriche è stata circondata da un sistema di riscaldamento che a sua volta è stato collocato in un apparato ad alta pressione necessario per produrre pressioni immense fino a 7,5 gigapascal. Minuscolo, elettrodi accuratamente costruiti hanno portato nella capsula, che era stato riempito con polveri di carbonato o carbonato-silicato. Numerosi esperimenti sono stati condotti a temperature comprese tra 1300 e 1600°C, alcuni dei quali sono durati fino a 40 ore.

I diamanti crescono solo con il voltaggio

Gli esperimenti condotti a Novosibirsk hanno mostrato, come previsto, che minuscoli diamanti crescono nelle vicinanze dell'elettrodo negativo nel corso di diverse ore, ma questo accadeva solo quando veniva applicata una piccola tensione; già mezzo volt era sufficiente. Con un diametro che raggiunge un massimo di 200 micrometri, cioè un quinto di millimetro, i cristalli appena creati erano più piccoli di un tipico granello di sabbia. Per di più, come previsto, l'altro minerale di carbonio puro è stato trovato che la grafite si formava in esperimenti condotti a pressioni più basse. Un'ulteriore prova del nuovo meccanismo è arrivata quando il ricercatore ha invertito la polarità della tensione:i diamanti sono poi cresciuti sull'altro elettrodo, esattamente come previsto. Senza che venga fornita alcuna tensione dall'esterno della capsula, non si formavano né grafite né diamanti. In prossimità dei diamanti, sono stati trovati anche altri minerali associati al mantello profondo della Terra.

"Le strutture sperimentali di Novosibirsk sono assolutamente impressionanti, "dice Michael Wiedenbeck, capo del laboratorio SIMS al GFZ, che fa parte della Modular Earth Science Infrastructure (MESI) di Potsdam. Collabora con i ricercatori russi da più di dieci anni; lui insieme all'ingegnere di laboratorio SIMS Frédéric Couffignal, hanno analizzato i diamanti prodotti dai loro colleghi russi. Per determinare se la teoria di Yuri Palyanov sulla formazione del diamante è completamente corretta, la composizione isotopica dei diamanti doveva essere caratterizzata in modo molto preciso.

Analisi di precisione "made in Potsdam"

I ricercatori di Potsdam hanno utilizzato la spettrometria di massa di ioni secondari (SIMS) per questo scopo. Lo strumento di Potsdam è uno spettrometro di massa altamente specializzato, fornendo ai geologi di tutto il mondo dati di alta precisione da campioni estremamente piccoli. "Con questa tecnologia possiamo determinare la composizione di piccole aree su campioni submillimetrici con grande precisione, " dice Wiedenbeck. Così, meno di un miliardesimo di grammo da un diamante prodotto in laboratorio doveva essere rimosso utilizzando un raggio ionico mirato in modo molto preciso. Atomi caricati elettricamente sono stati quindi iniettati in un apparato lungo sei metri che ha separato ciascuno i miliardi di particelle in base alla loro massa individuale. Questa tecnologia permette di separare elementi chimici, ed in particolare è possibile distinguere le loro varianti più leggere o più pesanti note come isotopi. "In questo modo abbiamo dimostrato che il rapporto tra gli isotopi di carbonio 13C e 12C si comporta esattamente secondo il modello sviluppato dai nostri colleghi di Novosibirsk. Con questo, abbiamo contribuito al pezzo finale del puzzle, per così dire, per confermare questa teoria, " dice Wiedenbeck. Tuttavia, va notato che questo nuovo metodo non è adatto alla produzione in serie di grandi diamanti artificiali.

"I nostri risultati mostrano chiaramente che i campi elettrici dovrebbero essere considerati un importante fattore aggiuntivo che influenza la cristallizzazione dei diamanti. Questa osservazione potrebbe rivelarsi piuttosto significativa per comprendere i cambiamenti dei rapporti isotopici del carbonio all'interno del ciclo globale del carbonio, " Yuri Polyanov riassume.