doi.org/10.1038/s41586-024-07339-7
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#Diamante
Cientistas criaram um novo sistema de liga de metal líquido para produzir diamantes em condições moderadas
Você sabia que 99% dos diamantes sintéticos são produzidos usando métodos de alta pressão e alta temperatura (HPHT)? A crença comum é que os diamantes só podem ser cultivados com catalisadores de metal líquido a pressões de 5-6 gigapascais (cerca de 50.000-60.000 atmosferas) e temperaturas entre 1300-1600°C.
No entanto, o tamanho dos diamantes produzidos através de HPHT é normalmente limitado a cerca de um centímetro cúbico devido às limitações do processo.
Isso significa que atingir pressões tão altas só pode ser feito em uma escala de comprimento relativamente pequena.
Descobrir métodos alternativos para fabricar diamantes em metal líquido sob condições mais amenas (particularmente a pressões mais baixas) é um desafio científico básico intrigante que, se alcançado, poderá revolucionar a fabricação de diamantes.
O paradigma prevalecente poderia ser desafiado? Uma equipe de pesquisadores liderada pelo Diretor Rod Ruoff do Centro de Materiais de Carbono Multidimensionais (CMCM) do Instituto de Ciências Básicas (IBS), incluindo estudantes de pós-graduação do Instituto Nacional de Ciência e Tecnologia de Ulsan (UNIST), cultivou diamantes sob condições de pressão de 1 atmosfera e a 1025°C usando uma liga de metal líquido composta de gálio, ferro, níquel e silício, quebrando assim o paradigma existente.
A descoberta deste novo método de crescimento abre muitas possibilidades para novos estudos científicos básicos e para aumentar o crescimento dos diamantes de novas formas.
O Diretor de Melhoria da Eficiência Experimental, Ruoff, que também é professor ilustre do UNIST, observa: Este avanço pioneiro foi o resultado da engenhosidade humana, dos esforços incessantes e da cooperação concertada de muitos colaboradores.- Pesquisadores liderados por Ruoff conduziram uma série de experimentos, envolvendo várias centenas de ajustes de parâmetros e uma variedade de abordagens experimentais antes de finalmente conseguirem cultivar diamantes usando um sistema de vácuo de parede fria “construído em casa”.
Notas de Ruoff Estávamos realizando nossos estudos paramétricos em uma grande câmara (chamada RSR-A com um volume interno de 100 litros) e nossa busca por parâmetros que produziriam o crescimento do diamante foi retardada devido ao tempo necessário para bombear o ar (cerca de 3 minutos), purgar com gás inerte (90 minutos), seguido de bombeamento novamente até o nível de vácuo (3 minutos) para que a câmara possa então ser preenchida com pressão de 1 atmosfera de mistura de hidrogênio/metano bastante pura (novamente 90 minutos) ; isso é mais de 3 horas antes que o experimento pudesse ser iniciado! Pedi ao Dr. Won Kyung SEONG para projetar e construir uma câmara muito menor para reduzir significativamente o tempo necessário para iniciar (e terminar!) O experimento com o metal líquido exposto à mistura de metano e hidrogênio.- Seong acrescenta: Nossa nova casa construída O sistema (denominado RSR-S, com volume interno de apenas 9 litros) pode ser bombeado, purgado, bombeado e preenchido com mistura de metano/hidrogênio, em um tempo total de 15 minutos.
Os estudos paramétricos foram bastante acelerados e isso nos ajudou a descobrir os parâmetros pelos quais o diamante cresce no metal líquido! – A equipe descobriu que o diamante cresce na subsuperfície de uma liga de metal líquido consistindo de 11,00/0,25 mistura (porcentagens atômicas) de gálio/níquel/ferro/silício quando exposto a metano e hidrogênio sob pressão de 1 atm a ?1025 u00b0C.
Yan GONG, estudante de graduação da UNIST e primeiro autor, explica Um dia, com o sistema RSR-S, quando executei o experimento e depois resfriei o cadinho de grafite para solidificar o metal líquido e removi a peça de metal líquido solidificado, notei um “arco-íris? padrão’ espalhado por alguns milímetros na superfície inferior desta peça.
Descobrimos que as cores do arco-íris se deviam aos diamantes! Isso nos permitiu identificar parâmetros que favoreceram o crescimento reprodutível do diamante.- A formação inicial ocorre sem a necessidade de diamante ou outras partículas de sementes comumente usadas em métodos convencionais de HPHT e de síntese química por deposição de vapor.
Uma vez formadas, as partículas de diamante se fundem para formar um filme, que pode ser facilmente destacado e transferido para outros substratos, para estudos posteriores e potenciais aplicações.
As medições de difração de raios X bidimensionais do síncrotron confirmaram que o filme de diamante sintetizado possui uma pureza muito alta da fase de diamante.
Outro aspecto intrigante é a presença de centros de cores vacâncias de silício na estrutura do diamante, pois foi encontrada uma intensa linha zero-fônon em 738,5 nm no espectro de fotoluminescência excitada com laser de 532 nm.
O coautor Dr. Meihui WANG observa: Este diamante sintetizado com centros de cores com lacunas de silício pode encontrar aplicações em detecção magnética e computação quântica.
– Mecanismos e visão teórica A equipe de pesquisa investigou profundamente os possíveis mecanismos para os diamantes nuclearem e crescerem sob essas novas condições.
Novos projetos e métodos para a introdução de átomos de carbono e/ou pequenos aglomerados de carbono em metais líquidos para o crescimento de diamantes serão certamente importantes, e a criatividade e a engenhosidade técnica da comunidade mundial de pesquisa parecem-me propensas, com base em nossa descoberta, a levar rapidamente a outras abordagens e configurações experimentais relacionadas.
Existem vários caminhos intrigantes para explorar!-
Imagens de microscópio eletrônico de transmissão (TEM) de alta resolução em seções transversais das amostras mostraram uma região subterrânea amorfa com cerca de 30-40 nm de espessura no metal líquido solidificado que estava diretamente em contato com os diamantes.
O coautor Dr. Myeonggi CHOE observa: Aproximadamente 27 por cento dos átomos que estavam presentes na superfície superior desta região amorfa eram átomos de carbono, com a concentração de carbono diminuindo com a profundidade.- Ruoff elabora: A presença de uma concentração tão alta de carbono “dissolvida” ‘em uma liga rica em gálio pode ser inesperado, pois é relatado que o carbono não é solúvel em gálio.
Isto pode explicar por que esta região é amorfa – enquanto todas as outras regiões do metal líquido solidificado são cristalinas.
Esta região subterrânea é onde nossos diamantes nucleam e crescem e, portanto, nos concentramos nela.- Os pesquisadores expuseram o metal líquido Ga-Fe-Ni-Si ao metano/hidrogênio por curtos períodos de tempo para tentar entender o crescimento inicial.
estágio bem antes da formação de um filme de diamante contínuo.
Eles então analisaram as concentrações de carbono nas regiões subterrâneas usando perfis de profundidade por espectrometria de massa de íons secundários de tempo de voo.
Após uma corrida de 10 minutos, nenhuma partícula de diamante era evidente, mas havia aproximadamente 65% de átomos de carbono presentes na região onde o diamante normalmente cresce.
Partículas de diamante começaram sendo encontradas após uma corrida de 15 minutos, e houve uma concentração inferior de átomos de C no subsolo de ?27%.
Ruoff explica: A concentração de átomos de carbono subterrâneos é tão alta em torno de 10 minutos que esse tempo de exposição está próximo ou na supersaturação, levando à nucleação de diamantes em 10 minutos ou em algum momento entre 10 e 15 minutos.
Espera-se que o crescimento das partículas de diamante ocorra muito rapidamente após a nucleação, em algum momento entre cerca de 10 minutos e 15 minutos.
– A temperatura em 27 locais diferentes no metal líquido foi medida com um acessório na câmara de crescimento que possui um conjunto de nove termopares que foram projetados e construídos por Seong.
A região central do metal líquido apresentou temperatura mais baixa em comparação aos cantos e laterais da câmara.
Pensa-se que este gradiente de temperatura é o que impulsiona a difusão do carbono para a região central, facilitando o crescimento do diamante.
A equipe também descobriu que o silício desempenha um papel crítico neste novo crescimento do diamante.
O tamanho dos diamantes cultivados torna-se menor e sua densidade aumenta à medida que a concentração de silício na liga aumenta em relação ao valor ideal.
Os diamantes não poderiam ser cultivados sem a adição de silício, o que sugere que o silício pode estar envolvido na nucleação inicial do diamante.
Isto foi apoiado pelos vários cálculos teóricos realizados para descobrir os fatores que podem ser responsáveis pelo crescimento dos diamantes neste novo ambiente de metal líquido.
Os pesquisadores descobriram que o silício promove a formação e estabilização de certos aglomerados de carbono, formando predominantemente ligações sp3 como o carbono.
Acredita-se que pequenos aglomerados de carbono contendo átomos de Si possam servir como “pré-núcleos”, que podem então crescer ainda mais para nuclear um diamante.
Prevê-se que a faixa de tamanho provável para um núcleo inicial seja de cerca de 20 a 50 átomos de C.
Ruoff afirma: Nossa descoberta da nucleação e do crescimento do diamante neste metal líquido é fascinante e oferece muitas oportunidades interessantes para uma ciência mais básica.
Estamos agora explorando quando ocorre a nucleação e, portanto, o rápido crescimento subsequente do diamante.
Também experimentos de “queda de temperatura”, onde primeiro alcançamos a supersaturação de carbono e outros elementos necessários, seguido pela rápida redução da temperatura para desencadear a nucleação, são alguns estudos que nos parecem promissores.- A equipe descobriu que seu método de crescimento oferece flexibilidade significativa no composição de metais líquidos.
O pesquisador Dr. Da LUO comenta: Nosso crescimento otimizado foi alcançado usando a liga líquida de gálio/níquel/ferro/silício.
No entanto, também descobrimos que o diamante de alta qualidade pode ser cultivado substituindo o níquel por cobalto ou substituindo o gálio por uma mistura de gálio-índio.- Ruoff conclui: O diamante pode ser cultivado em uma ampla variedade de ligas de metal líquido com ponto de fusão relativamente baixo, como como contendo um ou mais dentre índio, estanho, chumbo, bismuto, gálio e potencialmente antimônio e telúrio – e incluindo na liga fundida outros elementos como manganês, ferro, níquel, cobalto e assim por diante como catalisadores e outros como dopantes que produzem centros de cores.
E há uma ampla gama de precursores de carbono disponíveis além do metano (vários gases e também carbonos sólidos).
Publicado em 10/07/2024 04h59
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