Un'immagine al microscopio elettronico a trasmissione mostra un reticolo di nanodiamante. I chimici della Rice University hanno usato la loro tecnica di riscaldamento flash Joule per controllare l'evoluzione della fase e il drogaggio del carbonio. Credito:Tour Group/Rice University
Il diamante potrebbe essere solo una fase che il carbonio attraversa quando è esposto a un lampo di calore, ma questo lo rende molto più facile da ottenere.
Il laboratorio del chimico James Tour della Rice University è ora in grado di "evolvere" il carbonio attraverso fasi che includono prezioso nanodiamante controllando strettamente il processo di riscaldamento flash Joule che hanno sviluppato 18 mesi fa.
Meglio di tutto, possono interrompere il processo a piacimento per ottenere il prodotto che desiderano.
Nella rivista dell'American Chemical Society ACS Nano, i ricercatori, guidato da Tour e dallo studente laureato e autore principale Weiyin Chen, mostrano che l'aggiunta di composti organici del fluoro e precursori del fluoro al nerofumo elementare lo trasforma in diversi allotropi difficili da ottenere quando viene sottoposto a flashing, compresi i nanodiamanti fluorurati, grafene turbostratico fluorurato e carbonio concentrico fluorurato.
Con il processo flash introdotto nel 2020, una forte scarica di elettricità può trasformare il carbonio da qualsiasi fonte in strati di grafene turbostratico incontaminato in meno di un secondo. ("Turbostratico" significa che gli strati non sono fortemente legati l'uno all'altro, rendendoli più facili da separare in una soluzione.)
Il nuovo lavoro mostra che è possibile modificare, o funzionalizzare, i prodotti contemporaneamente. La durata del flash, tra 10 e 500 millisecondi, determina l'allotropo del carbonio finale.
Un'immagine al microscopio elettronico mostra uno stadio avanzato nell'evoluzione degli atomi di carbonio e fluoro sotto riscaldamento Joule flash. Gli atomi di carbonio formano gusci concentrici attorno a un nucleo di nanodiamante. Man mano che il riscaldamento procede, la fase del diamante è sostituita dal guscio. Credito:Tour Group/Rice University
La difficoltà sta nel come preservare gli atomi di fluoro, poiché la temperatura ultraelevata provoca la volatilizzazione di tutti gli atomi diversi dal carbonio. Per superare il problema, il team ha utilizzato un tubo in teflon sigillato con distanziatori in grafite e barre di tungsteno ad alto punto di fusione, che può contenere il reagente all'interno ed evitare la perdita di atomi di fluoro sotto la temperatura ultraelevata. Il tubo sigillato migliorato è importante, Tour ha detto.
"Nell'industria, c'è stato un uso di lunga data di piccoli diamanti negli utensili da taglio e come isolanti elettrici, " ha detto. "La versione fluorurata qui fornisce un percorso per le modifiche di queste strutture. E c'è una grande richiesta di grafene, mentre la famiglia fluorurata è appena prodotta qui in forma sfusa".
I nanodiamanti sono cristalli microscopici, o regioni di cristalli, che mostrano lo stesso reticolo di atomi di carbonio dei diamanti su scala macro. Quando fu scoperto per la prima volta negli anni '60, sono stati realizzati sotto il calore e l'alta pressione delle detonazioni.
Negli ultimi anni, i ricercatori hanno trovato processi chimici per creare gli stessi reticoli. Un rapporto del teorico del riso Boris Yakobson l'anno scorso ha mostrato come il fluoro può aiutare a produrre nanodiamante senza alta pressione, e il laboratorio di Tour ha dimostrato l'uso di laser pulsati per trasformare il teflon in nanodiamante fluorurato.
I nanodiamanti sono altamente desiderabili per le applicazioni elettroniche, in quanto possono essere drogati per fungere da semiconduttori a banda larga, componenti importanti nella ricerca attuale della Rice e dell'Army Research Laboratory.
Il meccanismo dei chimici della Rice University per l'evoluzione di fase dei nanocarburi flash fluorurati mostra fasi con un input di energia più lungo e più grande. Gli atomi di carbonio e fluoro formano prima un reticolo di diamanti, poi grafene e infine carbonio poliedrico concentrico. Credito:Weiyin Chen
Il nuovo processo semplifica la parte del doping, non solo per i nanodiamanti ma anche per gli altri allotropi. Tour ha detto che il laboratorio del riso sta esplorando l'uso del boro, anche fosforo e azoto come additivi.
A tempi di flash più lunghi, i ricercatori hanno ottenuto nanodiamanti incorporati in gusci concentrici di carbonio fluorurato. Un'esposizione ancora più lunga ha convertito il diamante interamente in conchiglie, dall'esterno verso l'interno.
"Le strutture a guscio concentrico sono state utilizzate come additivi per lubrificanti, e questo metodo flash potrebbe fornire un percorso economico e veloce per queste formazioni, " Disse Giro.
I coautori del documento sono studenti laureati Rice John Tianci Li, Zhe Wang, Wala Algozeeb, Emily McHugh, Kevin Wyss, Paolo Advincula, Jacob Beckham e Bo Jiang, il ricercatore Carter Kittrell e gli ex studenti Duy Xuan Luong e Michael Stanford. Tour è il T.T. e W.F. Chao Chair in Chimica e professore di informatica e di scienza dei materiali e nanoingegneria alla Rice.
