Il diamante naturale è forgiato da pressioni e temperature tremende nelle profondità del sottosuolo. Ma il diamante sintetico può essere coltivato per nucleazione, dove minuscoli frammenti di diamante "seminano" la crescita di cristalli di diamante più grandi. La stessa cosa accade nelle nuvole, dove le particelle seminano la crescita di cristalli di ghiaccio che poi si sciolgono in gocce di pioggia.

Gli scienziati hanno ora osservato per la prima volta come i diamanti crescono dai semi a livello atomico, e ho scoperto quanto devono essere grandi i semi per dare il via al processo di crescita dei cristalli.

I risultati, pubblicato questa settimana in Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze , far luce su come procede la nucleazione non solo nei diamanti, ma nell'atmosfera, nei cristalli di silicio usati per i chip dei computer e persino nelle proteine ​​che si aggregano nelle malattie neurologiche.

"La crescita della nucleazione è un principio fondamentale della scienza dei materiali, e c'è una teoria e una formula che descrive come questo accade in ogni libro di testo, "dice Nicholas Melosh, un professore della Stanford University e del National Accelerator Laboratory del Dipartimento di Energia SLAC che ha guidato la ricerca. "È come descriviamo il passaggio da una fase materiale all'altra, per esempio dall'acqua liquida al ghiaccio."

Ma interessante, lui dice, "nonostante l'uso diffuso di questo processo ovunque, la teoria alla base non era mai stata testata sperimentalmente, perché osservare come la crescita dei cristalli parte da semi su scala atomica è estremamente difficile."

I puntini più piccoli possibili

Infatti, gli scienziati sanno da tempo che l'attuale teoria spesso sopravvaluta quanta energia ci vuole per dare il via al processo di nucleazione, e da un bel po'. Hanno escogitato potenziali modi per riconciliare la teoria con la realtà, ma fino ad ora quelle idee sono state testate solo su scala relativamente ampia, ad esempio con molecole proteiche, piuttosto che su scala atomica dove inizia la nucleazione.

Per vedere come funziona alla scala più piccola, Melosh e la sua squadra si sono rivolti ai diamanti, i più piccoli pezzi di diamante possibili. I più piccoli contengono solo 10 atomi di carbonio. Questi granelli sono al centro di un programma finanziato dal DOE presso SLAC e Stanford in cui i diamondoidi naturali vengono isolati dai fluidi petroliferi, ordinati per dimensione e forma e studiati. Esperimenti recenti suggeriscono che potrebbero essere usati come blocchi tipo Lego per assemblare nanofili o "incudini molecolari" per innescare reazioni chimiche, tra l'altro.

L'ultimo ciclo di esperimenti è stato condotto dal ricercatore post-dottorato di Stanford Matthew Gebbie. È interessato alla chimica delle interfacce:luoghi in cui una fase della materia incontra un'altra, per esempio il confine tra aria e acqua. Si scopre che le interfacce sono incredibilmente importanti nella coltivazione di diamanti con un processo chiamato CVD, o deposizione chimica da vapore, questo è ampiamente usato per produrre diamanti sintetici per l'industria e la gioielleria.

"Quello di cui sono entusiasta è capire come le dimensioni, la forma e la struttura molecolare influenzino le proprietà dei materiali che sono importanti per le tecnologie emergenti, " Dice Gebbie. "Ciò include diamanti su scala nanometrica da utilizzare nei sensori e nell'informatica quantistica. Dobbiamo realizzarli in modo affidabile e con una qualità costantemente elevata".

Mina diamante o matita?

Per coltivare diamanti in laboratorio con CVD, minuscoli frammenti di diamante frantumato vengono seminati su una superficie ed esposti a un plasma, una nuvola di gas riscaldata a temperature così elevate che gli elettroni vengono strappati via dai loro atomi. Il plasma contiene idrogeno e carbonio, i due elementi necessari per formare un diamante.

Questo plasma può dissolvere i semi o farli crescere, Gebbie dice, e la competizione tra i due determina se si formano cristalli più grandi. Poiché ci sono molti modi per impacchettare gli atomi di carbonio in un solido, tutto deve essere fatto nelle giuste condizioni; altrimenti puoi finire con la grafite, comunemente noto come mina di matita, invece della roba scintillante che cercavi.

I semi di diamante offrono agli scienziati un livello molto più preciso di controllo su questo processo. Anche se sono troppo piccoli per vedere direttamente, anche con i microscopi più potenti, possono essere ordinati con precisione in base al numero di atomi di carbonio che contengono e quindi attaccati chimicamente alla superficie di un wafer di silicio in modo che vengano fissati in posizione mentre sono esposti al plasma. I cristalli che crescono intorno ai semi alla fine diventano abbastanza grandi da poter essere contati al microscopio, ed è quello che hanno fatto i ricercatori.

Il numero magico è 26

Sebbene i diamondoidi fossero stati usati per seminare la crescita dei diamanti prima, questi furono i primi esperimenti per testare gli effetti dell'utilizzo di semi di varie dimensioni. Il team ha scoperto che la crescita dei cristalli è davvero decollata con semi che contengono almeno 26 atomi di carbonio.

Ancora più importante, Gebbie dice, sono stati in grado di misurare direttamente la barriera energetica che le particelle di diamante devono superare per crescere in cristalli.

"Si pensava che questa barriera dovesse essere come una gigantesca montagna che gli atomi di carbonio non dovrebbero essere in grado di attraversare - e, infatti, per decenni c'è stata una domanda aperta sul perché potremmo persino creare diamanti in primo luogo, " dice. "Quello che abbiamo trovato era più simile a una dolce collina."

Gebbie aggiunge, "Questa è davvero una ricerca fondamentale, ma alla fine della giornata, ciò di cui siamo davvero entusiasti e per cui stiamo guidando è un modo prevedibile e affidabile per produrre nanomateriali di diamante. Ora che abbiamo sviluppato le conoscenze scientifiche di base necessarie per farlo, cercheremo modi per mettere in pratica questi nanomateriali di diamante".