Em novembro de 2020, foi publicado um artigo relatando a síntese de a diamante nanocristalino e lonsdaleita em temperatura ambiente, algo até hoje considerado impossível de ser feito.
A síntese foi realizada sob uma pressão de 80GPa a partir de um precursor de amostra de carbono não cristalino. Isso só foi possível com altas pressões e tensão de cisalhamento, ambas "importantes para promover a formação de fases, pois podem ajudar a superar as barreiras cinéticas", de acordo com o artigo.
Os resultados do estudo baseiam-se no uso de uma técnica de microscopia eletrônica muito comum e bastante utilizada em cristalografia, que é o campo experimental que estuda o arranjo dos átomos em sólidos cristalinos, no caso do presente artigo, diamante e lonsdaleita.
O diamante, a pequena (ou não) e preciosa peça de rocha brilhante, não é apenas uma joia cara, mas também um material imensamente importante devido às suas propriedades, que permitem que ele seja usado em ambientes normais e extremos.
Algumas propriedades úteis são: extrema dureza, alta condutividade térmica e também pode ser usado em aplicações biomédicas, entre outras.
O Lonsdaleite é um material semelhante ao diamante com poucas diferenças na estrutura cristalina quando comparado ao diamante, enquanto o diamante tem uma estrutura cristalina cúbica com um carbono ligado em forma de tetraedro, a Lonsdaleita tem um estrutura cristalina hexagonaluma forma menos comum de rearranjo.
A maioria das pesquisas sobre a síntese de diamante relata a necessidade de duas formas de excitação para superar a alta barreira cinética das mudanças de fase do material.
A alta pressão e a temperatura elevada são normalmente empregadas para sintetizar o diamante e a lonsdaleíta no laboratório.
Atualmente, os cientistas têm um diagrama que mostra os estados físicos de alguns materiais com base na temperatura e na pressão, chamado de diagrama de fases. Muito famoso e A temperatura e a pressão são necessárias para atingir um estado específico, como sólido, líquido ou gasoso. Nos átomos de carbono, o grafite e o diamante são dois exemplos de estados sólidos.
Se você observar o diagrama de carbonoDe acordo com o artigo, o estado do diamante poderia ser alcançado à temperatura ambiente acima da pressão de 2GPa, mas, na realidade, outros fatores precisam ser considerados, fatores que podem causar uma enorme diferença no resultado final. Um desses fatores mencionados no artigo é tensão de cisalhamento.
A tensão de cisalhamento é conhecida como um processo em que camadas paralelas deslizam umas pelas outras. Um exemplo muito simples disso é quando você junta as mãos e começa a deslizar uma sobre a outra - como quando você está sentindo frio e quer aquecer as mãos - esse movimento cria uma tensão de cisalhamento nas mãos ou no material que está sendo usado.
A tensão de cisalhamento pode promover a mudança de fase dos materiais. Sem considerar a temperatura, a tensão de cisalhamento acaba sendo um componente importante de como "o diamante pode ser formado em uma variedade muito maior de ambientes, tanto terrestres quanto extraterrestres, do que se acreditava anteriormente", mas são necessários muitos outros estudos para confirmar os efeitos da tensão de cisalhamento. A formação da lonsdaleíta também foi associada à tensão de cisalhamento.
Tentando produzir diamante e lonsdaleita em temperatura ambiente, os cientistas colocaram amostras de carbono vítreo sob compressão de 80×109Pa - isso é muita pressão, muito, muito mais do que a pressão que você sentiu ao fazer uma prova normal na faculdade.
Esse número é equivalente a quase 800 mil atmosferas de pressão - vivemos em apenas uma atmosfera.
Os cientistas analisaram os resultados das amostras por meio de três tipos diferentes de técnicas de microscopia eletrônica. Espectroscopia Raman, difração de raios X e TEM (microscopia eletrônica de transmissão). Vamos dar uma olhada em cada uma delas.
O Espectroscopia Raman é uma técnica que fornece uma impressão digital estrutural de um material específico usando a modos vibracionais das moléculas.
O material da amostra interage com uma luz monocromática - geralmente um laser - absorvendo e emitindo fótons de forma inelástica, ou seja, a vibração molecular da amostra absorve um número de fótons, sendo que a quantidade absorvida é diferente da emitida.
Essa diferença é detectada e o resultado final permite que os cientistas obtenham informações estruturais da amostra.
A difração de raios X A técnica de raios X envolve o uso de um feixe de elétrons em vez de luz monocromática. Em virtude dos padrões de arranjo dos átomos da estrutura cristalina, quando o feixe de raios X atinge a amostra, ele se difrata em muitos ângulos e direções diferentes.
Os cientistas podem medir esses ângulos e intensidades do feixe difratado, transformando os dados em uma imagem tridimensional com as posições do átomo no cristal.
O TEM, Microscopia eletrônica de transmissão é uma técnica de microscopia que usa um feixe de elétrons em vez de luz, bem como difração de raios X.
A amostra é exposta ao feixe, que passa por ela, produzindo uma imagem com a ajuda de um detector de fluorescência.
Essa técnica requer a preparação de uma amostra em uma grade e é rotulada como uma técnica evasiva devido à perda de amostras, que são destruídas durante a análise.
Após a tentativa de produzir um diamante, os pesquisadores descobriram por meio de Raman que as amostras consistiam apenas de material grafítico.
No entanto, os padrões de difração de raios X mostraram um resultado diferente, demonstrando a presença de lonsdaleita (12%), diamante (3%) e grafite (85%).
Esses resultados divergentes são explicados pelas diferenças em cada técnica. O Raman é capaz de analisar apenas a superfície dos materiais, enquanto a difração de raios X pode percorrer toda a espessura da amostra.
Em geral, esse resultado prova que a formação de materiais duros, como o diamante, é resultado não apenas da pressão e da temperatura.
E outros fatores podem induzir a formação de material, como a tensão de cisalhamento ou fatores que a ciência ainda não conhece.
Talvez no futuro, quando essa técnica de compressão tiver se estabelecido melhor, barateando a produção de diamantes, a ciência possa tirar o máximo proveito do material.
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