In natura, i diamanti si formano in profondità nella Terra per miliardi di anni. Questo processo richiede ambienti con pressione eccezionalmente elevata e temperature superiori a 1.000℃.

Il nostro team internazionale ha creato due diversi tipi di diamante a temperatura ambiente — e in pochi minuti. È la prima volta che i diamanti sono stati prodotti con successo in un laboratorio senza calore aggiunto.

I nostri risultati sono pubblicati sulla rivista Small.

Esiste più di una forma di diamante

Gli atomi di carbonio possono legarsi insieme in diversi modi per formare materiali diversi tra cui grafite nera morbida e diamante trasparente duro.

Esistono molte forme ben note di carbonio con legame simile alla grafite, incluso il grafene, il materiale più sottile mai misurato. Ma lo sapevate che c’è anche più di un tipo di materiale a base di carbonio con legame simile al diamante?

In un diamante normale, gli atomi sono disposti in una struttura cristallina cubica. Tuttavia, è anche possibile disporre questi atomi di carbonio in modo che abbiano una struttura cristallina esagonale.

Questa diversa forma di diamante è chiamata Lonsdaleite, dal nome della cristallografa irlandese e collega della Royal Society Kathleen Lonsdale, che ha studiato la struttura del carbonio usando i raggi X.

C’è molto interesse per la Lonsdaleite, dal momento che si prevede che sia il 58% più duro del diamante normale — che è già considerato il materiale naturale più duro sulla Terra.

È stato scoperto per la prima volta in natura, nel sito del Canyon Diablo meteorite crater in Arizona. Piccole quantità di sostanza sono state sintetizzate nei laboratori riscaldando e comprimendo la grafite, utilizzando una pressa ad alta pressione o esplosivi.

La nostra ricerca mostra che sia la Lonsdaleite che il diamante normale possono essere formati a temperatura ambiente in un ambiente di laboratorio, semplicemente applicando alte pressioni.

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I molti modi per fare un diamante

Diamanti sono stati sintetizzati nei laboratori fin dal lontano 1954. Poi, Tracy Hall alla General Electric li ha creati utilizzando un processo che imitava le condizioni naturali all’interno della crosta terrestre, aggiungendo catalizzatori metallici per accelerare il processo di crescita.

Il risultato è stato diamanti ad alta pressione e ad alta temperatura simili a quelli trovati in natura, ma spesso più piccoli e meno perfetti. Questi sono ancora oggi fabbricati, principalmente per applicazioni industriali.

L’altro metodo principale di fabbricazione del diamante è via un processo chimico-gas che usa un piccolo diamante come “seme” per coltivare i diamanti più grandi. Sono richieste temperature di circa 800℃. Mentre la crescita è piuttosto lenta, questi diamanti possono essere cresciuti grandi e relativamente privi di difetti.

La natura ha fornito suggerimenti su altri modi per formare diamanti, anche durante il violento impatto di meteoriti sulla Terra, così come in processi come le collisioni di asteroidi ad alta velocità nel nostro sistema solare-creando quelli che chiamiamo “diamanti extraterrestri”.

Gli scienziati hanno cercato di capire esattamente come si formano i diamanti impact o extraterrestri. Ci sono alcune prove che, oltre alle alte temperature e pressioni, le forze di scorrimento (note anche come forze di “taglio”) potrebbero svolgere un ruolo importante nell’innescare la loro formazione.

Un oggetto colpito da forze di taglio viene spinto in una direzione in alto e nella direzione opposta in basso.

Un esempio potrebbe essere spingere un mazzo di carte a sinistra in alto ea destra in basso. Ciò costringerebbe il mazzo a scivolare e le carte a diffondersi. Quindi, le forze di taglio sono anche chiamate forze “scorrevoli”.

Fare diamanti a temperatura ambiente

Per il nostro lavoro, abbiamo progettato un esperimento in cui un piccolo chip di carbonio simile alla grafite è stato sottoposto sia a forze di taglio estreme che ad alte pressioni, per favorire la formazione di diamanti.

A differenza della maggior parte dei lavori precedenti su questo fronte, nessun riscaldamento aggiuntivo è stato applicato al campione di carbonio durante la compressione. Utilizzando microscopia elettronica avanzata-una tecnica utilizzata per catturare immagini ad altissima risoluzione-il campione risultante è stato trovato per contenere sia diamante regolare e Lonsdaleite.

In questa disposizione mai vista prima, un sottile “fiume” di diamante (circa 200 volte più piccolo di un capello umano) era circondato da un “mare” di Lonsdaleite.

La disposizione della struttura ricorda la “shear banding” osservata in altri materiali, in cui un’area ristretta subisce una tensione intensa e localizzata. Ciò suggerisce che le forze di taglio erano fondamentali per la formazione di questi diamanti a temperatura ambiente.

Dadi duri da rompere

La capacità di produrre diamanti a temperatura ambiente, in pochi minuti, apre numerose possibilità di produzione.

In particolare, rendere la Lonsdaleite “più dura del diamante” in questo modo è una notizia entusiasmante per le industrie in cui sono necessari materiali estremamente duri. Ad esempio, il diamante viene utilizzato per rivestire punte e lame per prolungare la durata di questi strumenti.

La prossima sfida per noi è abbassare la pressione necessaria per formare i diamanti.

Nella nostra ricerca, la pressione più bassa a temperatura ambiente in cui si è osservato che i diamanti si sono formati è stata di 80 gigapascal. Questo è l’equivalente di 640 elefanti africani sulla punta di una scarpa da ballo!

Se sia il diamante che la Lonsdaleite potessero essere prodotti a pressioni più basse, potremmo farne di più, più veloci ed economici.

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