I diamanti sono difficili da realizzare. Si formano nel mantello superiore della Terra, a circa cento miglia sotto la superficie, sotto pressioni da schiacciamento del cranio e temperature di fusione della roccia. Sebbene replicare queste condizioni in laboratorio stia diventando un luogo comune, l'attrezzatura per farlo è costosa e il processo può richiedere giorni o settimane.
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Ora, dopo decenni di test, un team della North Carolina State University ha scoperto un modo rapido per produrre diamanti che possono essere fatti senza spremere il carbonio a pressioni estreme o riscaldarlo con la cottura convenzionale.
"La conversione del carbonio in diamante è stato per lungo tempo un obiettivo prezioso per gli scienziati di tutto il mondo", afferma Jagdish Narayan, autore principale dell'articolo pubblicato questa settimana sul Journal of Applied Physics .
Sorprendentemente, nel processo di fabbricazione dei loro diamanti, Narayan e il suo team hanno anche scoperto una nuova fase del carbonio, chiamata Q-carbon. Questo bizzarro materiale è ancora più duro del diamante, è magnetico ed emette un bagliore morbido. A parte il suo ruolo nel rendere i diamanti più veloci ed economici, Q-carbon potrebbe trovare usi nei display elettronici e potrebbe aiutare la nostra comprensione del magnetismo su altri pianeti.
La trasformazione del carbonio in diamante richiede un'enorme quantità di energia, motivo per cui in precedenza si pensava che si formassero solo ad alte pressioni e temperature, spiega il geofisico Rebecca Fischer, un membro post dottorato presso il Museo Nazionale di Storia Naturale Smithsonian che non era coinvolto nella ricerca .
Ma secondo Narayan, è tutto nella velocità. "Attraverso il processo rapido possiamo essenzialmente ingannare Madre Natura", afferma.
Sotto la normale pressione ambientale, il team ha esposto il carbonio amorfo, privo di qualsiasi struttura cristallina, a impulsi laser estremamente brevi. Questo ha riscaldato il carbonio fino a circa 6.740 gradi Fahrenheit: per fare un confronto, la superficie del sole è di circa 10.000 gradi Fahrenheit.
La pozza di carbonio fuso è stata quindi rapidamente raffreddata, o estinta, per formare il nuovo robusto carbonio Q.
Altre versioni di carbonio presentano proprietà molto diverse - come la grafite morbida, opaca contro i diamanti brillanti e brillanti - e il Q-carbon non fa eccezione. Quando il carbonio si scioglie, ad esempio, i legami tra gli atomi si accorciano e non hanno il tempo di allungarsi di nuovo mentre il materiale si raffredda improvvisamente. Ciò rende il prodotto finito più denso e più duro del diamante.
Ancora più eccitante è che il Q-carbon è magnetico a temperatura ambiente, uno dei pochi materiali magnetici in carbonio mai prodotti. E a causa della sua specifica disposizione atomica, il materiale emette piccole quantità di luce. Queste proprietà potrebbero rendere Q-carbon estremamente prezioso per le future applicazioni elettroniche.
Il suo uso più immediato, tuttavia, sta aiutando la creazione di diamanti. Modificando leggermente le velocità con cui il carbonio fuso si raffredda, gli scienziati possono usarlo per far crescere cristalli di diamanti in una serie di forme, come nanoniedles, microneedles, nanodots e film, spiega Narayan.
Un'immagine ravvicinata che mostra i microdiamonds realizzati con la nuova tecnica. (Journal of Applied Physics) Il processo è economico, in parte perché utilizza un laser che è già popolare per gli interventi di chirurgia oculare laser. Inoltre, il metodo fa crescere i diamanti in pochi nanosecondi.
"Possiamo fare un carato in circa 15 minuti", afferma Narayan.
In questo momento, i diamanti sono piccoli: il più grande ha una larghezza di circa 70 micron, o circa la larghezza di un capello umano, secondo Narayan. Ma è sicuro che il processo possa essere ampliato. A questo punto, il limite principale alla dimensione della gemma è il laser, dice, e un raggio più ampio potrebbe fare diamanti più grandi.
Ma piuttosto che produrre una grande gemma, il metodo è probabilmente il più promettente per la produzione in serie di piccoli sparklers, afferma Fischer.
Piccoli diamanti sono utili in una varietà di campi, tra cui elettronica, medicina e abrasivi, spiega il fisico Keal Byrne, anche lui ricercatore post-dottorato presso il museo di storia naturale. "Avere un nuovo modo di creare [diamanti] - in particolare uno che evita molte delle infrastrutture dei vecchi metodi - è fantastico", afferma Byrne.
Il team ora è concentrato sulla comprensione delle proprietà intriganti del carbonio Q, anche suggerendo che potrebbe aiutare a spiegare i campi magnetici di altri pianeti che non sembrano avere dinamo attive.
Ma c'è molto altro da imparare prima di poter iniziare a mettere alla prova questo tipo di teorie, afferma Byrne: “È una scoperta davvero interessante. [Ma] ciò che ne deriva, ora questa è la parte interessante. "
