Utilizzando un diamante nanocristallino costruito mediante deposizione di vapore al plasma, Yogesh Vohra, dottorato di ricerca, ha già prodotto una pressione quasi due volte maggiore di quella riscontrata al centro della Terra.

Ora riferisce, in uno studio pubblicato su Rapporti scientifici , che il processo di fabbricazione di questi nuovi, le microincudini in diamante nanocristallino si sono dimostrate "notevolmente coerenti" e dimostrano "un alto livello di riproducibilità nella fabbricazione".

Questi risultati sono incoraggianti per la continua ricerca per studiare i materiali in condizioni estreme di pressione e temperatura, dice Vohra, professore e studioso universitario di fisica presso l'UAB College of Arts and Sciences dell'Università dell'Alabama a Birmingham.

Il diamante nanocristallino sembra un minuscolo nocciolo di materiale cresciuto sulla superficie piatta del culet di un diamante gemma da un terzo di carati. Per costruire il nocciolo, il diamante gemma è rivestito con un film sottile di tungsteno che ha un cerchio da 15 a 20 micrometri inciso al centro. Il diamante nanocristallino inizia a crescere sotto forma di minuscoli grani di diamante in quel cerchio sopra la superficie del diamante della gemma. I grani si formano per deposizione di vapore da plasma ottenuto riscaldando metano, gas idrogeno e azoto.

Il plasma è un caldo, sostanza gassosa ionizzata che è il quarto stato della materia dopo i liquidi, solidi e gas. I grani di diamante nanocristallino hanno tipicamente una dimensione compresa tra 5 e 100 nanometri.

I colleghi di Vohra e UAB hanno esaminato le morfologie di nucleazione in fase iniziale dei nanocristalli in uno, tre e 15 minuti dopo l'inizio della sintesi. Hanno scoperto che la nucleazione dei diamanti nanocristallini inizia rapidamente, e senza bisogno di semina superficiale pre-crescita con minuscoli granelli di diamante. In contrasto, tale semina è necessaria per la crescita del diamante su alcune altre superfici.

Dopo solo un minuto di crescita, le immagini al microscopio elettronico hanno mostrato siti di nucleazione sostanziali sulla superficie dell'incudine di diamante gemma a cristallo singolo. A tre minuti, solo piccole aree della superficie della gemma mancavano di copertura di diamanti nanocristallini, e di 15 minuti, c'era una copertura completa e uniforme da grani nanocristallini che cominciavano ad aggregarsi su tutta la regione di crescita.

La crescita è rallentata tra le tre e le sei ore, e il diamante nanocristallino tendeva a fondersi in una struttura emisferica. Vohra afferma che questa geometria è stata osservata in modo coerente in ogni esperimento di crescita a due stadi eseguito dai ricercatori UAB. Inoltre, sembra esserci un limite geometrico alle dimensioni totali della crescita.

Il nubbin nanocristallino aumenta notevolmente le pressioni ottenibili con le microincudini diamantate. Diamanti gemma a cristallo singolo con una dimensione di culet di 300 micron, senza il nocciolo nanocristallino, può generare solo 75 gigapascal di pressione. Quando viene aggiunto il diamante nanocristallino, le microincudini possono generare fino a 500 gigapascal di pressione. I ricercatori UAB sperano di raggiungere una pressione di 1, 000 gigapascal, o un terapascal, di pressione con le loro microincudini di diamante nanocristallino. Questo è vicino alla pressione al centro del pianeta Saturno.

Questa immensa pressione può potenzialmente creare nuovi materiali ancora sconosciuti e viene anche utilizzata per studiare i cambiamenti di fase e il comportamento di compressione dei materiali. Nel mondo naturale, forze così immense nel sottosuolo possono trasformare il carbonio in diamanti, o cenere vulcanica in ardesia.

Il team dell'UAB ha anche esaminato microincudini di diamante nanocristallino che mostravano il distacco durante la compressione e la decompressione in un dispositivo a cella con incudine di diamante. Utilizzando la microscopia elettronica a forza, microscopia elettronica a scansione e spettroscopia Raman, i ricercatori hanno scoperto che il fallimento del distacco si è verificato nella maggior parte dell'incudine di diamante gemma a cristallo singolo sotto la superficie del culet, non all'interfaccia tra il diamante gemma e il nocciolo di diamante nanocristallino.

Ciò ha indicato che la forza adesiva interfacciale tra il diamante gemma e il nocciolo di diamante nanocristallino sembra essere sostanziale, e che l'interfaccia può sopravvivere a sollecitazioni di taglio ultraelevate.

Vohra afferma che i ricercatori UAB continueranno gli studi per manipolare la granulometria e la forza adesiva all'interfaccia per ottimizzare le microincudini di diamante nanocristallino per la ricerca ad alta pressione.