En noviembre de 2020, se publicó un artículo en el que se informaba de la síntesis de a diamante nanocristalino y lonsdaleita a temperatura ambiente, algo que hasta hoy se consideraba imposible de hacer.
La síntesis se realizó a una presión de 80GPa a partir de un precursor de muestra de carbono no cristalino. Esto solo fue posible con altas presiones y esfuerzos de cizallamiento, ambos "importantes para promover la formación de fases, ya que pueden ayudar a superar las barreras cinéticas", según el artículo.
Los resultados del estudio radican en la utilización de una técnica de microscopía electrónica muy común y bastante utilizada en Cristalografía, que es el campo experimental que estudia la disposición de los átomos en los sólidos cristalinos, en el caso del presente artículo, el Diamante, y la Lonsdaleita.
El diamante, el pequeño (o no) y precioso trozo de roca brillante, no es sólo una joya cara, también es un material inmensamente importante por sus propiedades, que le permiten ser utilizado en entornos normales y extremos.
Algunas propiedades útiles son, dureza extrema, alta conductividad térmica y también podría utilizarse en aplicaciones biomédicas, entre otras.
La Lonsdaleita es un material similar al diamante con pocas diferencias en la estructura cristalina cuando se compara con el diamante, mientras que el diamante tiene una estructura cristalina cúbica con un carbono enlazado tetraédricamente, la Lonsdaleita tiene un estructura cristalina hexagonaluna forma menos común de reordenación.
La mayoría de las investigaciones sobre la síntesis del diamante señalan la necesidad de dos formas de excitación para superar la elevada barrera cinética de los cambios de fase del material.
Para sintetizar diamante y lonsdaleíta en el laboratorio se suelen emplear altas presiones y temperaturas elevadas.
Los científicos disponen hoy en día de un diagrama que muestra los estados físicos de algún material en función de la temperatura y la presión llamado diagrama de fases. Muy famoso y herramienta guía útil para que los científicos sepan qué temperatura y presión se necesitan para alcanzar un estado específico, como sólido, líquido o gaseoso. En los átomos de carbono, el grafito y el diamante son dos ejemplos de estados sólidos.
Si nos fijamos en el diagrama de carbonoEn realidad, el estado de diamante podría alcanzarse a temperatura ambiente por encima de la presión de 2GPa, pero en realidad hay que tener en cuenta otros factores, factores que pueden causar una gran diferencia en el resultado final. Uno de estos factores mencionados en el artículo es tensión de cizallamiento.
El esfuerzo cortante se conoce como un proceso en el que capas paralelas se deslizan unas a través de otras. Un ejemplo muy sencillo es cuando juntamos las manos y empezamos a deslizar una sobre otra, como cuando tenemos frío y queremos calentarnos las manos.
El esfuerzo cortante puede favorecer el cambio de fase de los materiales. Sin tener en cuenta la temperatura, el esfuerzo cortante resulta ser un componente importante de cómo "el diamante puede formarse en una gama mucho más amplia de entornos, tanto terrestres como extraterrestres, de lo que se creía anteriormente", pero se necesitan muchos más estudios para confirmar los efectos del esfuerzo cortante. La formación de lonsdaleita también se ha asociado al esfuerzo de cizallamiento.
Para tratar de producir diamante y lonsdaleita a temperatura ambiente, los científicos sometieron muestras de carbono vítreo a una compresión de 80×109Pa - eso es mucha presión, mucha, mucha más que la presión que sentías al someterte a un examen normal en la universidad.
Esta cifra equivale a casi 800 mil atmósferas de presión: vivimos bajo una sola atmósfera.
Los científicos analizaron los resultados de las muestras mediante tres tipos diferentes de técnicas de microscopía electrónica. Espectroscopia Raman, difracción de rayos X y TEM (microscopia electrónica de transmisión). Veamos cada una de ellas.
El Espectroscopia Raman es una técnica que proporciona una huella dactilar estructural de un material específico utilizando la modos vibratorios de las moléculas.
El material de la muestra interactúa con una luz monocromática -normalmente un láser- absorbiendo y emitiendo fotones de forma inelástica, es decir, la vibración molecular de la muestra absorbe una serie de fotones, la cantidad absorbida es diferente de la emitida.
Esta diferencia se detecta y el resultado final permite a los científicos obtener información estructural de la muestra.
La difracción de rayos X consiste en utilizar un haz de electrones en lugar de luz monocromática. En virtud de los patrones de disposición de los átomos de la estructura cristalina, cuando el haz de rayos X llega a la muestra, se difracta en muchos ángulos y direcciones diferentes.
Los científicos pueden medir estos ángulos e intensidades del haz difractado transformando los datos en una imagen tridimensional con las posiciones de los átomos en el cristal.
El TEM, microscopía electrónica de transmisión es una técnica de microscopía que utiliza un haz de electrones en lugar de luz, así como la difracción de rayos X.
La muestra se expone al haz, que la atraviesa produciendo una imagen con ayuda de un detector de fluorescencia.
Esta técnica requiere una preparación de la muestra en una rejilla y se califica de técnica evasiva debido a la pérdida de la muestra, que se destruye durante el análisis.
Tras el intento de producir un diamante, los investigadores descubrieron mediante Raman que las muestras estaban formadas únicamente por material grafítico.
Sin embargo, los patrones de difracción de rayos X mostraron un resultado diferente, demostrando la presencia de lonsdaleita (12%), diamante (3%) y grafito (85%).
Estos resultados divergentes se explican por las diferencias de cada técnica. El Raman sólo es capaz de analizar la superficie de los materiales, mientras que la difracción de rayos X puede recorrer todo el espesor de la muestra.
En conjunto, este resultado demuestra que la formación de materiales duros como el diamante no sólo es consecuencia de la presión y la temperatura.
Y otros factores pueden inducir la formación de material, como el esfuerzo cortante o factores que la ciencia aún desconoce.
Tal vez en el futuro, cuando esta técnica de compresión se haya consolidado mejor, abaratando la producción de diamantes, la ciencia podrá sacar el máximo partido de este material.
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