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Creamos diamantes en cuestión de minutos, sin calor, imitando la fuerza de una colisión de asteroides

  • noviembre 21, 2020
  • by Martin Elias Londoño

En la naturaleza, los diamantes se forman en las profundidades de la Tierra durante miles de millones de años. Este proceso requiere entornos con una presión excepcionalmente alta y temperaturas superiores a 1000 ℃.

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 pueden unirse en varios formas de formar diferentes materiales, incluido el grafito negro suave y el diamante transparente duro.

Existen muchas formas conocidas de carbono con enlaces similares 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 enlaces similares al 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, en honor a la cristalógrafa irlandesa y miembro de la Royal Society Kathleen Lonsdale, quien estudió la estructura del carbono utilizando Rayos X.

Las estructuras cristalinas del diamante cúbico y la Lonsdaleita hexagonal tienen átomos dispuestos de manera diferente.

Hay mucho interés en la Lonsdaleita, ya que se predice que será un 58% más duro que el diamante regular, que ya se considera el más duro naturalmente -material presente en la Tierra.

Fue descubierto por primera vez en la naturaleza, en el sitio del cráter del meteorito Canyon Diablo en Arizona. Desde entonces, se han sintetizado pequeñas cantidades de la sustancia 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 pueden formarse a temperatura ambiente en un laboratorio, mediante simplemente aplicando altas presiones.

Las muchas formas de hacer un diamante

Los diamantes se han sintetizado en laboratorios desde 1954. Luego, Tracy Hall en General Electric los creó utilizando un proceso que imitaba las condiciones naturales dentro del La corteza terrestre, añadiendo catalizadores metálicos para acelerar el proceso de crecimiento.

El resultado fue 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 mediante un proceso de gas químico que utiliza un diamante pequeño como «semilla» para producir diamantes más grandes. Se requieren temperaturas de aproximadamente 800 ℃. Si bien el crecimiento es bastante lento, estos diamantes se pueden hacer grandes y relativamente libres de defectos.

La naturaleza ha proporcionado indicios de otras formas de formar diamantes, incluso durante el impacto violento de los meteoritos en la Tierra, así como en procesos como colisiones de asteroides a alta velocidad en nuestro sistema solar, creando lo que llamamos «diamantes extraterrestres».

Los científicos han estado tratando de comprender exactamente cómo se forman los diamantes de impacto o extraterrestres. Existe alguna evidencia de que, además de las altas temperaturas y presiones, las fuerzas de deslizamiento (también conocidas como fuerzas de «corte») podrían desempeñar un papel importante en el desencadenamiento de su formación.

En las fuerzas de 'cizallamiento', el objeto es empujado en una dirección en un extremo y en la dirección opuesta en el otro. Wiki Commons

Un objeto 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 hacia la izquierda en la parte superior y la derecha en la parte inferior. Esto obligaría a que la baraja se deslice y las cartas se extiendan. Por lo tanto, las fuerzas de corte también se denominan fuerzas de “deslizamiento”.

Fabricación de diamantes a temperatura ambiente

Para nuestro trabajo, diseñamos un experimento en el que un pequeño fragmento de carbono similar al grafito se sometió a fuerzas de corte extremas y altas presiones, para estimular la formación de diamante.

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. Usando microscopía electrónica avanzada, una técnica utilizada para capturar imágenes de muy alta resolución, se encontró que la muestra resultante contenía tanto diamante regular como Lonsdaleita.

En esta disposición nunca antes vista, un delgado «río» de diamante (aproximadamente 200 veces más pequeña que un cabello humano) estaba rodeada por un «mar» de Lonsdaleita.

Esta imagen de microscopio electrónico muestra un «río» de diamantes en un «mar» de Lonsdaleita.

La disposición de la estructura recuerda a las «bandas de corte ”Observado en otros materiales, en los 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 difíciles de romper

La ​​capacidad de hacer diamantes a temperatura ambiente, en cuestión de minutos, abre numerosas posibilidades de fabricación.

Específicamente, fabricar la Lonsdaleita “más dura que el diamante” de esta manera es una excelente noticia para las industrias donde se necesitan materiales extremadamente duros. Por ejemplo, el diamante se utiliza para revestir brocas y hojas para prolongar la vida útil de estas herramientas.

El próximo desafío para nosotros es reducir la presión requerida para formar los diamantes.

En nuestra investigación, la presión más baja en La temperatura ambiente donde se observó que se formaron los diamantes 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 pudieran fabricarse a presiones más bajas, podríamos producir más, más rápido y más barato.

Imágenes utilizadas por cortesía de Pexels / Leah Kelley


Este artículo se vuelve a publicar de The Conversation bajo una licencia Creative Commons. Lea el artículo original.

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