Invece di dover usare tonnellate di forza schiacciante e calore vulcanico per forgiare diamanti, i ricercatori della Case Western Reserve University hanno sviluppato un modo per produrre nanodiamanti a basso costo su un banco di laboratorio a pressione atmosferica e vicino alla temperatura ambiente.

I nanodiamanti sono formati direttamente da un gas e non richiedono alcuna superficie su cui crescere.

La scoperta promette molti usi nella tecnologia e nell'industria, come il rivestimento della plastica con polvere di diamante ultrafine e la realizzazione di componenti elettronici flessibili, impianti, dispositivi per la somministrazione di farmaci e altri prodotti che sfruttano le eccezionali proprietà del diamante.

La loro indagine è pubblicata oggi sulla rivista scientifica Comunicazioni sulla natura . I risultati si basano su una tradizione di ricerca sui diamanti presso la Case Western Reserve.

Al di là delle sue applicazioni, la scoperta potrebbe offrire alcune informazioni sul nostro universo:una spiegazione di come si possano formare i nanodiamanti visti nello spazio e trovati nei meteoriti.

"Questo non è un processo complesso:il vapore di etanolo a temperatura e pressione ambiente viene convertito in diamante, " disse Mohan Sankaran, professore associato di ingegneria chimica presso la Case Western Reserve e capofila del progetto. "Facciamo scorrere il gas attraverso un plasma, aggiungi l'idrogeno e ne escono nanoparticelle di diamante. Possiamo metterli insieme e realizzarli in quasi tutti i laboratori".

Il processo per realizzare queste piccole "pietre per sempre" non fonderà la plastica, quindi è adatto per alcune applicazioni high-tech. Diamante, rinomato per essere duro, ha eccellenti proprietà ottiche e la più alta velocità di suono e conducibilità termica di qualsiasi materiale.

A differenza dell'altra forma di carbonio, grafite, il diamante è un semiconduttore, simile al silicio, che è il materiale dominante nell'industria elettronica, e arseniuro di gallio, che viene utilizzato in laser e altri dispositivi ottici.

Mentre il processo è semplice, trovare le giuste concentrazioni e flussi, quello che i ricercatori chiamano il "punto debole", ha richiesto tempo.

Gli altri ricercatori coinvolti erano il ricercatore postdottorato Ajay Kumar, La dottoranda Pin Ann Lin, e studente universitario Albert Xue, di Case Western Reserve; e il professore di fisica Yoke Khin Yap e lo studente laureato Boyi Hao, dell'Università tecnica del Michigan.

Sankaran e John Angus, professore emerito di ingegneria chimica, ha avuto l'idea di coltivare nanodiamanti senza calore o pressione circa otto anni fa. La ricerca di Angus negli anni '60 e '70 ha portato lui e altri a ideare un modo per coltivare film diamantati a bassa pressione e ad alta temperatura, un processo noto come deposizione chimica da vapore che viene ora utilizzato per realizzare rivestimenti su dischi di computer e lamette da barba. specialità di Sankaran, nel frattempo, sta producendo nanoparticelle utilizzando microplasmi freddi.

Di solito richiede alte pressioni e alte temperature per convertire la grafite in diamante o una combinazione di gas idrogeno e un substrato riscaldato per far crescere il diamante anziché la grafite.

"Ma su scala nanometrica, l'energia superficiale rende il diamante più stabile della grafite, " ha spiegato Sankaran. "Abbiamo pensato che se potessimo nucleare ammassi di carbonio in fase gassosa inferiori a 5 nanometri, sarebbero diamanti invece di grafite anche a pressione e temperatura normali".

Dopo diversi alti e bassi con lo sforzo, il processo si è concretizzato quando Kumar si è unito al laboratorio di Sankaran. Gli ingegneri hanno prodotto il diamante in modo molto simile alla fuliggine di carbonio.

Prima creano un plasma, che è uno stato della materia simile a un gas ma una parte si sta caricando, o ionizzato. Una scintilla è un esempio di plasma, ma è caldo e incontrollabile.

Per arrivare a temperature più fresche e sicure, hanno ionizzato il gas argon mentre veniva pompato da un tubo del diametro di un capello, creando un microplasma. Hanno pompato etanolo, la fonte di carbonio, attraverso il microplasma, dove, simile a bruciare un combustibile, il carbonio si libera da altre molecole nel gas, e produce particelle da 2 a 3 nanometri, abbastanza piccoli da trasformarsi in diamanti.

In meno di un microsecondo, aggiungono idrogeno. L'elemento rimuove il carbonio che non si è trasformato in diamante stabilizzando contemporaneamente la superficie delle particelle di diamante.

Il diamante formato non sono i grandi cristalli perfetti usati per fare gioielli, ma è una polvere di particelle di diamante. Sankaran e Kumar ora producono costantemente diamanti di alta qualità con un diametro medio di 2 nanometri.

I ricercatori hanno trascorso circa un anno di test per verificare che stessero producendo diamanti e che il processo potesse essere replicato, ha detto Kumar. Il team ha eseguito personalmente diversi test e ha portato nel laboratorio di Yap per analizzare le nanoparticelle mediante spettroscopia Raman.

Attualmente, i nanodiamanti vengono prodotti facendo esplodere un esplosivo in un reattore per fornire calore e pressione. Le particelle di diamante devono poi essere rimosse e purificate dagli elementi contaminanti ammassati intorno ad esse. Il processo è rapido ed economico ma i nanodiamanti si aggregano e sono di dimensioni e purezza variabili.

La nuova ricerca offre implicazioni promettenti. Nanodiamanti, ad esempio, vengono testati per trasportare farmaci ai tumori. Poiché il diamante non è riconosciuto come un invasore dal sistema immunitario, non suscita resistenza, il motivo principale per cui la chemioterapia fallisce.

Sankaran ha affermato che i suoi nanodiamanti possono offrire un'alternativa ai diamanti prodotti con metodi di detonazione perché sono più puri e più piccoli.

Il processo del gruppo produce tre tipi di diamanti:circa la metà sono cubici, la stessa struttura dei diamanti gemma, una piccola percentuale sono una forma sospettata di avere idrogeno intrappolato all'interno e circa la metà sono lonsdaleite, una forma esagonale che si trova nella polvere interstellare ma si trova raramente sulla Terra.

Un articolo recente sulla rivista Lettere di revisione fisica suggerisce che quando la polvere interstellare si scontra, è coinvolta una pressione così alta che il carbonio grafitico si trasforma in nanodiamanti di londsdaleite.

Sankaran e Kumar sostengono che un'alternativa senza requisiti di alta pressione, come il loro metodo, dovrebbe essere considerato, pure.

"Forse stiamo facendo il diamante nel modo in cui a volte viene prodotto il diamante nello spazio, " Sankaran propose. "Etanolo e plasma esistono nello spazio esterno, e i nostri nanodiamanti sono simili per dimensioni e struttura a quelli che si trovano nello spazio".

Il gruppo sta ora studiando se è possibile mettere a punto il processo per controllare quale forma di diamante viene prodotta, analizzando le strutture e determinando se ognuna ha proprietà diverse. Lonsdaleite, ad esempio, è più duro del diamante cubico.

I ricercatori hanno realizzato una sorta di vernice spray nanodiamante. "Possiamo farlo in un unico passaggio, spruzzando i nanodiamanti mentre vengono prodotti dal plasma e purificati con idrogeno, rivestire una superficie, " ha detto Kumar.

E stanno lavorando per aumentare il processo per l'uso industriale.

"Saranno in grado di crescere? È sempre una schifezza, " Angus ha detto. "Ma penso che si possa fare, e a tassi molto alti ea buon mercato. In definitiva, potrebbero volerci alcuni anni per arrivarci, ma non c'è una ragione teorica per cui non si possa fare."

Se il processo su larga scala è semplice ed economico quanto il processo di laboratorio, l'industria troverà molte applicazioni per il prodotto, ha detto Sankara.