En la naturaleza, los diamantes se forman en las profundidades de la Tierra a lo largo de miles de millones de años. Este proceso requiere entornos con una presión excepcionalmente alta y temperaturas superiores a 1,000℃.
Nuestro equipo internacional ha creado dos tipos diferentes de diamantes a temperatura ambiente y en cuestión de minutos. Es la primera vez que se producen diamantes con éxito en un laboratorio sin calor añadido.
Nuestros hallazgos se publican en la revista Small.
Hay más de una forma de diamante
Los átomos de carbono se pueden unir de varias maneras para formar diferentes materiales, incluidos grafito negro suave y diamante transparente duro.
Hay muchas formas bien conocidas de carbono con unión similar al grafito, incluido el grafeno, el material más delgado jamás medido. Pero, ¿sabías que también hay más de un tipo de material a base de carbono con unión en forma de diamante?
En un diamante normal, los átomos están dispuestos en una estructura cristalina cúbica. Sin embargo, también es posible organizar estos átomos de carbono para que tengan una estructura cristalina hexagonal.
Esta forma diferente de diamante se llama Lonsdaleita, llamada así en honor a la cristalógrafa irlandesa y miembro de la Royal Society Kathleen Lonsdale, que estudió la estructura del carbono mediante rayos X.
Hay mucho interés en la Lonsdaleita, ya que se predice que es un 58% más dura que el diamante normal, que ya se considera el material natural más duro de la Tierra.
Fue descubierto por primera vez en la naturaleza, en el sitio del cráter de meteoritos Canyon Diablo en Arizona. Desde entonces, pequeñas cantidades de la sustancia se han sintetizado en laboratorios calentando y comprimiendo grafito, utilizando una prensa de alta presión o explosivos.
Nuestra investigación muestra que tanto la Lonsdaleita como el diamante regular se pueden formar a temperatura ambiente en un entorno de laboratorio, simplemente aplicando altas presiones.
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Las muchas formas de hacer un diamante
Los diamantes se han sintetizado en laboratorios desde 1954. Luego, Tracy Hall de General Electric los creó utilizando un proceso que imitaba las condiciones naturales dentro de la corteza terrestre, agregando catalizadores metálicos para acelerar el proceso de crecimiento.
El resultado fueron diamantes de alta presión y alta temperatura similares a los que se encuentran en la naturaleza, pero a menudo más pequeños y menos perfectos. Estos todavía se fabrican hoy en día, principalmente para aplicaciones industriales.
El otro método importante de fabricación de diamantes es a través de un proceso químico-gaseoso que utiliza un diamante pequeño como «semilla» para cultivar diamantes más grandes. Se requieren temperaturas de aproximadamente 800℃. Si bien el crecimiento es bastante lento, estos diamantes pueden crecer grandes y relativamente libres de defectos.
La naturaleza ha proporcionado pistas de otras formas de formar diamantes, incluso durante el impacto violento de meteoritos en la Tierra, así como en procesos como colisiones de asteroides de alta velocidad en nuestro sistema solar, creando lo que llamamos «diamantes extraterrestres».
Los científicos han estado tratando de entender exactamente cómo se forman los diamantes extraterrestres o de impacto. Hay cierta evidencia de que, además de las altas temperaturas y presiones, las fuerzas de deslizamiento (también conocidas como fuerzas de «cizallamiento») podrían desempeñar un papel importante en el desencadenamiento de su formación.
Un objeto que es impactado por fuerzas cortantes es empujado en una dirección en la parte superior y en la dirección opuesta en la parte inferior.
Un ejemplo sería empujar una baraja de cartas a la izquierda en la parte superior y a la derecha en la parte inferior. Esto obligaría a la baraja a deslizarse y a las cartas a desplegarse. Por lo tanto, las fuerzas cortantes también se denominan fuerzas «deslizantes».
Fabricación de diamantes a temperatura ambiente
Para nuestro trabajo, diseñamos un experimento en el que un pequeño chip de carbono similar al grafito se sometió a fuerzas de corte extremas y altas presiones, para fomentar la formación de diamantes.
A diferencia de la mayoría de los trabajos anteriores en este frente, no se aplicó calentamiento adicional a la muestra de carbono durante la compresión. Utilizando microscopía electrónica avanzada, una técnica utilizada para capturar imágenes de muy alta resolución, se encontró que la muestra resultante contenía diamante regular y Lonsdaleita.
En este arreglo nunca antes visto, un delgado «río» de diamantes (unas 200 veces más pequeño que un cabello humano) estaba rodeado por un «mar» de Lonsdaleita.
La disposición de la estructura recuerda a las «bandas cortantes» observadas en otros materiales, en las que un área estrecha experimenta una tensión intensa y localizada. Esto sugiere que las fuerzas de cizallamiento fueron clave para la formación de estos diamantes a temperatura ambiente.
Tuercas resistentes al agrietamiento
La capacidad de fabricar diamantes a temperatura ambiente, en cuestión de minutos, abre numerosas posibilidades de fabricación.
Específicamente, hacer la Lonsdaleita «más dura que el diamante» de esta manera es una noticia emocionante para las industrias donde se necesitan materiales extremadamente duros. Por ejemplo, el diamante se utiliza para recubrir brocas y cuchillas para extender la vida útil de estas herramientas.
El próximo reto para nosotros es reducir la presión necesaria para formar los diamantes.
En nuestra investigación, la presión más baja a temperatura ambiente donde se observaron diamantes formados fue de 80 gigapascales. ¡Esto es el equivalente a 640 elefantes africanos en la punta de una zapatilla de ballet!
Si tanto el diamante como la Lonsdaleita se pudieran fabricar a presiones más bajas, podríamos fabricar más, más rápido y más barato.
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