Il diamante è il materiale naturale più forte sulla Terra. È anche rinomato per la sua elevata rigidità, conducibilità termica eccezionale, elevata resistenza chimica, ed elevata trasparenza ottica. Sebbene queste notevoli proprietà rendano il diamante altamente desiderabile per applicazioni scientifiche e tecnologiche, i progressi sono stati lenti a causa della sua fragilità.

Un recente studio che ha coinvolto l'UNIST ha determinato che i diamanti fragili possono essere piegati e allungati elasticamente quando vengono trasformati in aghi ultrafini.

Questa svolta è stata condotta congiuntamente dal team del Distinguished Professor Feng Ding del Center for Multidimensional Carbon Materials (CMCM), all'interno dell'Institute for Basic Science (IBS) presso l'UNIST, in collaborazione con un team internazionale di ricercatori del Massachusetts Institute of Technology (MIT), Università della città di Hong Kong, e l'Università tecnologica di Nanyang. I risultati dello studio sono stati riportati in Scienza .

Il team ha dimostrato che i loro aghi di diamante su scala nanometrica possono flettersi e allungarsi fino al 9% senza rompersi, e tornare alla loro forma originale. La loro scoperta ribalta completamente le precedenti scoperte sulla fragilità dei diamanti. I loro risultati potrebbero aprire possibilità senza precedenti per la messa a punto della sua ottica, optomeccanico, magnetico, fononico, e proprietà catalitiche attraverso l'ingegneria della deformazione elastica.

"L'altissima elasticità del diamante è dovuta alla scarsità di difetti interni."

Il diamante ordinario in forma sfusa ha un limite di allungamento ben al di sotto dell'1%, secondo i ricercatori. Nello studio, Il gruppo del professor Ming ha gestito il calcolo chimico e l'analisi della struttura cristallina del diamante e ha attribuito che l'elasticità ultraelevata dei nanoaghi di diamante è dovuta alla scarsità di difetti interni e alla superficie relativamente liscia.

"diamanti, naturale o artificiale, hanno difetti interni nella loro struttura cristallina, " dice il professor Ding. "Quando si applica una forza esterna a questi difetti, possono rompersi e alla fine rompersi."

Nello studio, tramite simulazioni dettagliate, Il professor Ding ha determinato con precisione la quantità di stress e di tensione che gli aghi di diamante potevano sopportare senza rompersi. Ha determinato che la tensione locale massima corrispondente era vicina al limite teorico noto ottenibile con un perfetto, diamante privo di difetti. Ha notato che i diamanti privi di difetti possono allungarsi fino al 12 percento senza rompersi.

"Gli aghi di diamante si sono allungati e flessi fino al 9% senza rotture".

Il team di ricerca della City University di Hong Kong è riuscito a fabbricare aghi di diamante su scala nanometrica mediante incisione indotta da plasma di film sottili di diamante depositati su substrati di Si attraverso la deposizione chimica in fase di vapore assistita da bias (CVD). Di conseguenza, il team è stato in grado di dimostrare ultralarge, deformazione elastica completamente reversibile di aghi di diamante monocristallino e policristallino su scala nanometrica (~300 nanometri).

Il team ha misurato la flessione degli aghi di diamante, che sono stati cresciuti attraverso un processo di deposizione chimica da vapore e poi incisi nella loro forma finale, osservandoli in un microscopio elettronico a scansione mentre si preme sugli aghi con una punta di diamante nanoindenter standard. Hanno dimostrato sperimentalmente che gli aghi monocristallini sono contemporaneamente ultra resistenti e suscettibili di grandi deformazioni elastiche, con deformabilità meccanica completamente reversibile fino a un massimo del 9% di deformazione elastica a trazione.

Il team di ricerca si aspetta che i loro risultati possano portare a un miglioramento delle prestazioni nelle applicazioni, coinvolgendo bioimmagini e biorilevamento, risonatori nanomeccanici ceppo-mediati, consegna farmaci, archivio dati, e dispositivi optomeccanici, così come nanostrutture ultraresistenti. Oltretutto, Il professor Ding ha osservato che la grande deformazione elastica negli aghi di diamante su scala nanometrica sarà adatta per l'uso in display flessibili e pieghevoli di prossima generazione.