Pela primeira vez, os cientistas criaram diamantes no laboratório sem a necessidade de calor

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Crédito: Instituto Real de Tecnologia de Melbourne.

Por Dougal McCulloch e Jodie Bradby
Publicado no The Conversation

Na natureza, os diamantes se formam nas profundezas da Terra ao longo de bilhões de anos. Esse processo requer ambientes com pressão excepcionalmente alta e temperaturas superiores a 1.000℃.

Nossa equipe internacional criou dois tipos diferentes de diamantes em temperatura ambiente – e em questão de minutos. É a primeira vez que diamantes são produzidos com sucesso em um laboratório sem aquecimento adicional.

Nossas descobertas foram publicadas na revista Small.

Existe mais de uma forma de diamante

Os átomos de carbono podem se ligar de várias maneiras para formar diferentes materiais, incluindo o grafite preto macio e o diamante transparente duro.

Existem muitas formas conhecidas de carbono com ligações semelhantes ao grafite, incluindo o grafeno, o material mais fino já mensurado. Mas você sabia que também existe mais de um tipo de material à base de carbono com ligações como o diamante?

Em um diamante normal, os átomos são organizados em uma estrutura cristalina cúbica. No entanto, também é possível organizar esses átomos de carbono para que tenham uma estrutura de cristal hexagonal.

Essa forma diferente de diamante é chamada de Lonsdaleíta, em homenagem a cristalógrafa irlandesa e membro da Royal Society Kathleen Lonsdale, que estudou a estrutura do carbono usando raios-X.

As estruturas cristalinas do diamante cúbico (esquerda) e da Lonsdaleíta hexagonal (direita) têm diferentes arranjos de átomos. Imagem fornecida pelos autores.

Há muito interesse na Lonsdaleíta, uma vez que se prevê que ela seja 58 por cento mais dura do que o diamante normal – que já é considerado o material natural mais duro da Terra.

Foi descoberta pela primeira vez na natureza, no local da cratera de um meteorito do chamado Cânion do Diabo no Arizona, Estados Unidos. Desde então, pequenas quantidades da substância foram sintetizadas em laboratórios através do aquecimento e compressão de grafite, usando uma prensa de alta pressão ou explosivos.

Nossa pesquisa mostra que tanto a lonsdaleíta quanto o diamante comum podem ser formados à temperatura ambiente em um laboratório, bastando aplicar altas pressões.

As muitas maneiras de fazer um diamante

Os diamantes são sintetizados em laboratórios desde 1954. Na época, Tracy Hall da General Electric os criou usando um processo que imitou as condições naturais dentro da crosta terrestre, adicionando catalisadores metálicos para acelerar o processo de crescimento.

O resultado foram diamantes de alta pressão e temperatura semelhantes aos encontrados na natureza, mas geralmente menores e menos perfeitos. Ainda hoje são fabricados, principalmente para aplicações industriais.

O outro método importante de fabricação de diamantes é através de um processo químico-gasoso, que usa um pequeno diamante como uma “semente” para fazer crescer diamantes maiores. São necessárias temperaturas de cerca de 800℃. Embora o crescimento seja bastante lento, esses diamantes podem ser grandes e relativamente sem defeitos.

A natureza forneceu dicas com outras maneiras de formar diamante, incluindo durante o violento impacto de meteoritos na Terra, bem como em processos como colisões de asteroides em alta velocidade em nosso Sistema Solar – criando o que chamamos de “diamantes extraterrestres“.

Os cientistas têm tentado entender exatamente como os diamantes extraterrestres se formam. Existem algumas evidências de que, além de altas temperaturas e pressões, as forças de deslizamento (também conhecidas como forças de “cisalhamento”) podem desempenhar um papel importante no desencadeamento de sua formação.

Um objeto que está sendo impactado por forças de cisalhamento é empurrado em uma direção na parte superior e na direção oposta na parte inferior.

Um exemplo seria empurrar um baralho de cartas para a esquerda na parte superior e para a direita na parte inferior. Isso forçaria o baralho a deslizar e as cartas a se espalharem. Portanto, as forças de cisalhamento também são chamadas de forças “tangenciais”.

Nas forças de ‘cisalhamento’, o objeto é empurrado em uma direção em uma extremidade e na direção oposta na outra. Créditos: Sharayanan / Wikimedia Commons.

Fazendo diamantes em temperatura ambiente

Para nosso trabalho, projetamos um experimento no qual um pequeno chip de carbono semelhante ao grafite foi submetido a forças de cisalhamento extremas e altas pressões, para estimular a formação de diamante.

Ao contrário da maioria dos trabalhos anteriores dessa linha, nenhum aquecimento adicional foi aplicado à amostra de carbono durante a compressão. Usando microscopia eletrônica avançada – uma técnica usada para capturar imagens de resolução muito alta -, a amostra resultante demonstrou conter diamante regular e Lonsdaleíta.

Nesse arranjo nunca antes visto, um “rio” fino de diamante (cerca de 200 vezes menor que um fio de cabelo humano) era cercado por um “mar” de Lonsdaleíta.

Esta imagem de microscópio eletrônico mostra um ‘rio’ de diamante (diamond) em um ‘mar’ de Lonsdaleíta (Lonsdaleite). Imagem fornecida pelos autores.

O arranjo da estrutura é uma reminiscência de “linhas de cisalhamento” observadas em outros materiais, em que uma área estreita sofre deformação intensa e localizada. Isso sugere que as forças de cisalhamento foram fundamentais para a formação desses diamantes em temperatura ambiente.

Nozes que os quebra-nozes não quebram

A capacidade de fazer diamantes em temperatura ambiente, em questão de minutos, abre inúmeras possibilidades de fabricação.

Especificamente, formar a Lonsdaleíta dessa forma é uma notícia empolgante para as indústrias onde materiais extremamente duros são necessários. Por exemplo, o diamante é usado para revestir brocas e lâminas para estender a vida útil dessas ferramentas.

O próximo desafio para nós é diminuir a pressão necessária para formar os diamantes.

Em nossa pesquisa, a pressão mais baixa em temperatura ambiente onde os diamantes foram observados foi de 80 gigapascais. Isso é o equivalente a 640 elefantes africanos na ponta de uma sapatilha de balé!

Se tanto o diamante quanto a lonsdaleíta pudessem ser feitos em pressões mais baixas, poderíamos fazer mais deles, mais rápido e mais barato.