O novo método possibilita a produção de diamantes sem o uso de extrema pressão

O novo método torna possível produzir artificialmente diamantes a partir de uma liga de metal líquido sem o uso de pressão extrema. Os métodos tradicionais exigem uma pressão de cerca de 5 gigapascals e uma temperatura de cerca de 1.400 °C. A uma pressão de apenas 1 atmosfera (0,0001 gigapascals) e uma temperatura de 1.025 °C, o novo processo pode começar a formar partículas de diamante em 15 minutos.

Sob condições naturais, os diamantes são formados como resultado da cristalização do carbono no manto superior da Terra a uma profundidade de 140 a 190 quilômetros. Nesta profundidade, a temperatura e a pressão são extremas e flutuam em torno de 1400 °C e 4,5-6 gigapascals (GPa). As técnicas usadas para produzir diamantes artificiais imitam essas condições com base em um processo conhecido como High Pressure High Temperature Process (HPHT), usando materiais de partida à base de carbono e várias ligas.

No entanto, esse tipo de processo tem suas limitações, pois altas pressões só podem ser aplicadas em condições de laboratório em uma superfície relativamente pequena. Isso significa que o tamanho dos diamantes resultantes geralmente não excede um centímetro cúbico.

Pesquisadores do Instituto de Ciência Básica (IBS), na Coreia do Sul, estão propondo um novo método que pode permitir que volumes maiores sejam obtidos em condições mais acessíveis. O processo, descrito na revista Nature, permitiu criar partículas de diamante a uma pressão de apenas 1 atmosfera (0,0001 GPa) e a uma temperatura de 1025 °C.

Diamantes produzidos sob pressão atmosférica

Para desenvolver seu processo, os pesquisadores sul-coreanos realizaram uma série de experimentos envolvendo várias centenas de configurações de parâmetros. Para isso, uma liga líquida de gálio, ferro, níquel e silício foi exposta a uma mistura de gases ricos em metano e hidrogênio. Tudo foi colocado em uma câmara de reação com volume interno de 100 litros.

No entanto, o tempo de formação das partículas de diamante diminuiu significativamente devido ao tempo necessário para bombear o ar para fora da câmara (cerca de 3 minutos), purificá-lo com um gás inerte (90 minutos) e bombeá-lo de volta (3 minutos) até que não haja resíduos gasosos. O próximo passo é encher a câmara com uma mistura purificada de hidrogênio e metano e criar uma pressão interna de 1 atmosfera. Esta última etapa, que requer mais 90 minutos, significa que, com este protocolo, levará mais de 3 horas para começar a produzir diamantes!

(g) Imagem de microscopia eletrônica de varredura mostrando um diamante crescido (parcialmente) imerso em metal líquido solidificado. h) Diagrama que mostra a difusão do carbono que resulta no crescimento do diamante na superfície inferior do metal líquido. © por Yang Gong, et al

Para melhorar a técnica e reduzir o tempo de produção, os pesquisadores mudaram o tamanho da câmara para 9 litros. Isso reduziu o tempo de bombeamento e enchimento para 15 minutos.

A mistura gasosa e a liga líquida são então submetidas a uma temperatura de 1025 °C. Após o resfriamento, a liga solidificada é um padrão contínuo de alguns milímetros de tamanho, que difrata a luz em 7 cores como um cristal natural. Depois de realizar uma análise, os especialistas descobriram que esse padrão cristalino é composto por partículas de diamante altamente refinadas. Uma vez formado, o filme de diamante resultante pode ser facilmente removido e transferido para outros substratos para uso posterior.

Método muito flexível

Curiosamente, o método torna possível produzir diamantes sem o uso de partículas adicionais de diamante ou outras partículas precursoras. Os métodos tradicionais de HPHT requerem o uso de precursores para desencadear a reação de formação de diamante.

Além disso, a equipe descobriu que o silício desempenha um papel significativo no tamanho dos produtos finais. Se você aumentar a concentração de silício na liga, o tamanho do diamante resultante diminui e sua densidade se torna maior. Isso porque o silício contribui para a formação e estabilização dos aglomerados de átomos de carbono que compõem o diamante. Isso sugere que aglomerados contendo átomos de silício podem atuar como "pré-núcleos" levando à formação de partículas de diamante. Os pesquisadores estimam que o tamanho desses núcleos iniciais esteja entre 20 e 50 átomos de carbono.

Diamantes de várias morfologias cultivados sob diferentes condições de crescimento (em particular, razões molares) usando uma liga Ga/Ni/Fe/Si ou Ga/In/Ni/Fe/Si (metal líquido), em um ambiente metano/hidrogênio. © por Yang Gong, et al

Além disso, os pesquisadores descobriram que seu método fornece flexibilidade significativa na composição de ligas líquidas, o que raramente é alcançado com técnicas tradicionais de fabricação. Por exemplo, você pode usar uma liga de gálio-níquel-ferro-silício, substituir níquel por cobalto ou substituir gálio por uma mistura de gálio-índio. Além do metano, uma ampla gama de precursores gasosos também pode ser usada.

Esta flexibilidade permitirá variar a qualidade e as propriedades dos produtos resultantes, adaptando-os a cada caso de uso. "Nossa descoberta da nucleação e crescimento do diamante em metal líquido é empolgante e abre muitas possibilidades empolgantes", disse o coautor do estudo Rod Ruoff, diretor do Centro de Materiais de Carbono Multidimensional (CMCM) do IBS, em um comunicado à imprensa.

Na verdade, o escopo de aplicação não se limita apenas ao mercado de joias, mas também tecnologias relacionadas ao estudo de partículas subatômicas e campos magnéticos, bem como computação quântica. A pesquisa futura da equipe incluirá uma exploração mais aprofundada do estágio inicial da formação de partículas de diamante com o objetivo de potencialmente melhorar e acelerar o processo de produção.

Imagem principal: © New-science.ru