Diamantes so fabricados em presso ambiente

Materiais Avanados

Redação do Site Inovação Tecnológica – 25/04/2024

Diamante cultivado em presso ambiente

Embora j existam tcnicas para fabricar nanodiamantes em condies ambientais normais de temperatura e presso, 99% dos diamantes sintticos continuam sendo produzidos usando mtodos de alta presso e alta temperatura (APAT).

Um paradigma predominante que os diamantes s podem ser cultivados usando catalisadores de metal lquido na faixa de presso de gigapascals (GPa) – normalmente de 5 a 6 GPa, onde 1 GPa cerca de 10.000 atmosferas – e na faixa de temperatura de 1300 a 1600 C.

O problema que os diamantes produzidos com APAT esto sempre limitados a tamanhos de aproximadamente um centmetro cbico devido aos equipamentos envolvidos, j que atingir presses to altas s pode ser feito em uma escala de comprimento relativamente pequena.

Agora, Yan Gong e colegas do Instituto Nacional de Cincia e Tecnologia de Ulsan, na Coreia do Sul, finalmente desafiaram esse paradigma vigente, desenvolvendo um mtodo alternativo para fabricar diamantes em metal lquido sob condies mais amenas, particularmente a presses mais baixas, o que permite fabricar diamantes sintticos maiores.

Os diamantes crescem na forma de grandes filmes, mas os cristais individuais podem ser separados.
[Imagem: Institute for Basic Science]

Fabricando diamantes com metal lquido

A equipe desenvolveu um equipamento e ajustou seus parmetros de funcionamento de modo a cultivar diamantes sob condies de presso de 1 atmosfera e a 1025 C usando uma liga de metal lquido composta de glio, ferro, nquel e silcio.

Foi um trabalho exaustivo e criterioso, at chegar a uma liga de metal lquido composta por uma proporo de 77,75/11/11/0,25 (porcentagens atmicas) de glio/nquel/ferro/silcio, que deve ento ser exposta a metano e hidrognio sob presso de 1 atmosfera e temperatura de 1025 C.

“Estvamos realizando nossos estudos paramtricos em uma cmara grande, chamada RSR-A, com volume interno de 100 litros, e nossa busca por parmetros que produziriam o crescimento do diamante vinha sendo retardada devido ao tempo necessrio para bombear o ar (cerca de 3 minutos), purgar com gs inerte (90 minutos), seguido de bombeamento novamente at o nvel de vcuo (3 minutos) para que a cmara pudesse ento ser preenchida com presso de 1 atmosfera de mistura de hidrognio/metano bastante pura (novamente 90 minutos),” contou o professor Rodney Ruoff, concluindo que eram mais de 3 horas apenas para comear cada experimento.

Como ningum esperava produzir diamantes em tal volume, a equipe partiu para construir um equipamento menor. “Nosso novo sistema construdo em casa (denominado RSR-S, com volume interno de apenas 9 litros) pode ser bombeado, purgado, bombeado e preenchido com mistura de metano/hidrognio em um tempo total de 15 minutos. Isso acelerou muito nossos estudos paramtricos, e isso nos ajudou a descobrir os parmetros pelos quais o diamante cresce no metal lquido,” acrescentou seu colega Won Seong.

Os diamantes apresentam centro de cor, o que os torna adequados para medies ultrassensveis, sensores e tecnologias qunticas.
[Imagem: Institute for Basic Science]

Muito mais por vir

A formao inicial ocorre sem a necessidade de sementes, sejam nanodiamantes ou outras partculas comumente usadas em APAT convencionais e em mtodos de sntese por deposio qumica de vapor. Uma vez formadas, as partculas de diamante – o carbono para forma o diamante vem do metano – se fundem para formar um filme, que pode ser facilmente destacado e transferido para outros substratos.

E o processo muito rpido, com cada rodada durando no mais do que 15 minutos.

Medies de difrao por raios X mostram que o filme de diamante sintetizado possui uma pureza muito alta, alm de um aspecto no totalmente compreendido, mas muito interessante, que consiste na presena de grande nmero de centros de cor com lacunas de silcio na estrutura do diamante – um centro de cor, ou centro de vacncia de nitrognio, um defeito na estrutura cristalina que transforma o diamante em um qubit para computadores qunticos.

“O diamante pode ser cultivado em uma ampla variedade de ligas de metal lquido com pontos de fuso relativamente baixo, como aquelas contendo um ou mais dentre ndio, estanho, chumbo, bismuto, glio e potencialmente antimnio e telrio – e incluindo na liga fundida outros elementos, como mangans, ferro, nquel, cobalto e assim por diante, como catalisadores e outros como dopantes que produzem centros de cor. E h uma ampla gama de precursores de carbono disponveis alm do metano (vrios gases e tambm carbonos slidos).

“Novos projetos e mtodos para a introduo de tomos de carbono e/ou pequenos aglomerados de carbono em metais lquidos para o crescimento de diamantes sero certamente importantes, e quero crer que a criatividade e a engenhosidade tcnica da comunidade de pesquisa, a partir da nossa descoberta, levar rapidamente a outras abordagens relacionadas e configuraes experimentais. Existem inmeros caminhos intrigantes para explorar,” concluiu Ruoff.

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