I ricercatori esaminano in profondità un diamante per vedere come gli atomi nei suoi difetti piastrinici sono disposti nel materiale naturale più duro che l'uomo conosca.

Un team multinazionale di ricercatori, tra cui uno scienziato della Wits University, hanno esaminato a fondo un diamante per vedere come gli atomi nei suoi difetti piastrinici sono disposti nel materiale naturale più duro che l'uomo conosca.

Utilizzando due processi, vale a dire la microscopia elettronica a trasmissione e la spettroscopia elettronica a perdita di energia, gli scienziati hanno sondato la disposizione spaziale degli atomi di carbonio e azoto che formano il nucleo dei difetti. È stata anche determinata la natura dei legami tra gli atomi.

Come vuoti e inclusioni, le piastrine sono conosciute come "difetti" o imperfezioni nei diamanti. Dove gli atomi di carbonio nei diamanti sono in perfetta disposizione periodica, un difetto piastrinico interrompe la disposizione periodica degli atomi di carbonio, risultante in un difetto che appare come una minuscola linea retta all'interno della gemma quando ripreso con un microscopio elettronico lungo una direzione specifica nel cristallo di diamante.

La ricerca sulla natura dei difetti in un diamante va avanti da molti decenni, ma la svolta è arrivata quando un microscopio elettronico a trasmissione corretto per l'aberrazione a risoluzione atomica presso il Center for High Resolution Microscopy della Nelson Mandela University è stato utilizzato per visualizzare e analizzare i difetti delle piastrine. Il microscopio è stato utilizzato in modalità microscopia elettronica a trasmissione a scansione (STEM), utilizzando un rivelatore di campo oscuro anulare ad alto angolo insieme all'imaging dello spettro della perdita di energia degli elettroni (EEL), afferma il professor Mervin Naidoo della Wits School of Physics. Un articolo sul lavoro del team che includeva scienziati della Nelson Mandela University, Libera Università Statale, Oxford University nel Regno Unito e il Max Planck Institute in Germania, è stato recentemente pubblicato sulla rivista, Materiali della natura .

Sezioni di diamante sottili per l'analisi STEM sono state preparate utilizzando un fascio ionico focalizzato (FIB) per tagliare sezioni di 5x10 micron con uno spessore di circa 20-50 nanometri (nm è un miliardesimo di metro). Le sezioni sono state quindi studiate in un microscopio elettronico a risoluzione atomica facendo passare un fascio focalizzato di elettroni con un'energia ben definita attraverso la sottile sezione di diamante. Il modello di interferenza formato dalle "onde" di elettroni dopo aver attraversato una sottile sezione di diamante genera un'immagine della disposizione spaziale degli atomi di carbonio nel cristallo di diamante e degli atomi di carbonio e di azoto nel difetto piastrinico. I corrispondenti dati sulla perdita di energia degli elettroni forniscono informazioni sulla composizione chimica delle piastrine e sulla natura dei legami chimici tra gli atomi.

"Appoggiando queste immagini l'una sull'altra, siamo stati in grado di creare un'immagine unica della piastrina, "dice Naidoo.

Mentre in passato sono stati proposti molti modelli teorici della disposizione atomica degli atomi nelle piastrine, l'attuale studio è stato il primo in assoluto che è riuscito a visualizzare le esatte posizioni atomiche nelle piastrine e ad abbinarle a uno dei modelli teorici proposti in precedenza.

Gli atomi di carbonio in un diamante sono disposti in un reticolo tridimensionale periodico. Il difetto piastrinico interrompe la disposizione periodica degli atomi introducendo un tipo di difetto planare esteso, contenenti principalmente atomi di carbonio e alcuni atomi di azoto. Gli atomi nella piastrina sono disposti in un ordinamento a zigzag di coppie di difetti lungo la linea del difetto.

"I diamanti sono messaggeri dal profondo. La conoscenza della struttura e della composizione di un difetto piastrinico potrebbe dirci come si formano i diamanti nella Terra e quali processi sono coinvolti nella loro formazione, " dice Naidoo. In altre parole, le attuali conoscenze ora consentono ai ricercatori di formulare un modello dinamico delle possibili interazioni dei difetti puntuali che alla fine hanno formato questa struttura piastrinica".

Le piastrine possono ora essere prodotte anche in diamanti sintetici, che consentirebbe agli scienziati di confrontare la natura delle piastrine nei diamanti naturali con le loro controparti sintetiche.

Questi risultati hanno anche rivelato che le piastrine non sono costituite solo da atomi di azoto, ma ha mostrato che le piastrine contengono azoto e che gli atomi di azoto molto probabilmente giocano un ruolo nella cinetica di formazione delle piastrine.

"Abbiamo scoperto un mistero. Abbiamo risposto con tecniche di imaging elettronico a risoluzione atomica alla domanda sulla disposizione atomica degli atomi nei difetti delle piastrine nel diamante. Questo studio ora apre altre entusiasmanti strade di ricerca, " dice Naidoo. "Questa non è la fine della storia."