Μπορεί να ακούγεται σαν αλχημεία, ωστόσο επιστήμονες του Stanford University και του SLAC National Accelerator Laboratory κατάφεραν, χρησιμοποιώντας με υψηλά επίπεδα ακριβείας θερμότητα και πίεση, να δημιουργήσουν διαμάντια από ένα είδος μορίου υδρογονάνθρακα που συναντάται στο αργό πετρέλαιο και το φυσικό αέριο.
«Αυτό που είναι συναρπαστικό με αυτό το επιστημονικό άρθρο είναι πως δείχνει έναν τρόπο να “ξεγελάσουμε” τη θερμοδυναμική που απαιτείται κανονικά για τον σχηματισμό διαμαντιών» είπε ο Ρόντνεϊ Γιούινγκ, γεωλόγος του Stanford και ένας εκ των συντελεστών του άρθρου, που δημοσιεύτηκε στις 21 Φεβρουαρίου στο Science Advances.
Επιστήμονες συνθέτουν διαμάντια από άλλα υλικά εδώ και πάνω από 60 χρόνια, ωστόσο αυτό απαιτεί κατά κανόνα μεγάλες ποσότητες ενέργειας, χρόνου ή εισαγωγής ενός καταλύτη- συχνά μετάλλου- που τείνει να υποβαθμίζει την ποιότητα του τελικού προϊόντος. «Θέλαμε να δούμε απλά ένα καθαρό σύστημα, όπου μια και μόνη ουσία μετατρέπεται σε καθαρό διαμάντι- χωρίς καταλύτη» είπε η Σουλγκίγιε Παρκ, μεταδιδακτορική ερευνήτρια στο Stanford Earth.
Η κατανόηση των μηχανισμών αυτών θα είναι σημαντική για εφαρμογές πέρα από την κατασκευή κοσμημάτων, δεδομένου ότι οι ιδιότητες των διαμαντιών- σκληρότητα, διαφάνεια, χημική σταθερότητα κ.α.- τα καθιστούν πολύτιμα για τομείς όπως η ιατρική, η βιομηχανία, οι τεχνολογίες κβαντικών υπολογιστών κ.α.
Τα φυσικά διαμάντια κρυσταλλοποιούνται από άνθρακα σε μεγάλα βάθη κάτω από την επιφάνεια της Γης, σε πολύ υψηλές θερμοκρασίες. Τα περισσότερα φυσικά διαμάντια που έχουν βρεθεί ως τώρα εκτοξεύτηκαν προς τα πάνω σε ηφαιστειακές εκρήξεις πριν από εκατομμύρια χρόνια, συνοδευόμενα από αρχαία ορυκτά από το εσωτερικό του πλανήτη. «Τα διαμάντια είναι δοχεία που μεταφέρουν δείγματα από τα έγκατα της Γης» είπε σχετικά η Γουέντι Μάο, που ηγείται του εργαστηρίου όπου έγιναν τα περισσότερα πειράματα της μελέτης.
Για τη σύνθεση των διαμαντιών οι ερευνητές άρχισαν με τρία είδη σκόνης από δεξαμενόπλοια που μετέφεραν πετρέλαιο. Με την πρώτη ματιά οι σκόνες αυτές παραπέμπουν σε άλατα βράχων, ωστόσο με μικροσκόπιο εντοπίζονται άτομα στην ίδια διαρρύθμιση με τα άτομα από τα οποία αποτελούνται τα διαμάντια. Αντίθετα με τα διαμάντια, οι σκόνες αυτές, γνωστές και ως αδαμαντοειδή, περιέχουν και υδρογόνο. «Αρχίζοντας με αυτά τα δομικά στοιχεία μπορείς να φτιάξεις διαμάντια πολύ πιο γρήγορα και εύκολα» σημείωσε η Μάο.
Οι ερευνητές έβαλαν τα δείγματα αδαμαντοειδών σε ειδικό θάλαμο πίεσης (diamond anvil cell) που πιέζει τη σκόνη μεταξύ δύο καθαρισμένων και γυαλισμένων διαμαντιών. Με μια απλή κίνηση η συσκευή μπορεί να δημιουργήσει πίεση αντίστοιχη αυτής που βρίσκεται στο κέντρο της Γης.
Μετά θέρμαναν τα δείγματα με λέιζερ, εξέτασαν τα αποτελέσματα και χρησιμοποίησαν μοντέλα υπολογιστή για να ερμηνεύσουν τη μεταμόρφωση. Όπως διαπιστώθηκε, ένα αδαμαντοειδές, το τριαμαντάνιο, μπορεί να μεταμορφώνεται σε διαμάντι με πολύ λίγη ενέργεια. Γύρω στους 620 βαθμούς Κελσίου και τα 20 γιγαπασκάλ (πίεση εκατοντάδες χιλιάδες φορές μεγαλύτερη από αυτή της ατμόσφαιρας της Γης) τα άτομα άνθρακα του τριαμαντανίου ευθυγραμμίζονται και το υδρογόνο διασκορπίζεται. Η μεταμόρφωση αυτή γίνεται σε κλάσματα δευτερολέπτου και απευθείας, καθώς τα άτομα δεν περνούν από κάποια άλλη μορφή άνθρακα (όπως πχ γραφίτη).
H τεχνική αυτή θεωρείται μάλλον μη πρακτική για σύνθεση διαμαντιών μεγαλύτερου μεγέθους από τους κόκκους που σχηματίστηκαν στο εργαστήριο, ωστόσο η Μάο τόνισε πως πλέον «γνωρίζουμε λίγα περισσότερα για τα κλειδιά για τη δημιουργία καθαρών διαμαντιών».
«Αυτό που είναι συναρπαστικό με αυτό το επιστημονικό άρθρο είναι πως δείχνει έναν τρόπο να “ξεγελάσουμε” τη θερμοδυναμική που απαιτείται κανονικά για τον σχηματισμό διαμαντιών» είπε ο Ρόντνεϊ Γιούινγκ, γεωλόγος του Stanford και ένας εκ των συντελεστών του άρθρου, που δημοσιεύτηκε στις 21 Φεβρουαρίου στο Science Advances.
Επιστήμονες συνθέτουν διαμάντια από άλλα υλικά εδώ και πάνω από 60 χρόνια, ωστόσο αυτό απαιτεί κατά κανόνα μεγάλες ποσότητες ενέργειας, χρόνου ή εισαγωγής ενός καταλύτη- συχνά μετάλλου- που τείνει να υποβαθμίζει την ποιότητα του τελικού προϊόντος. «Θέλαμε να δούμε απλά ένα καθαρό σύστημα, όπου μια και μόνη ουσία μετατρέπεται σε καθαρό διαμάντι- χωρίς καταλύτη» είπε η Σουλγκίγιε Παρκ, μεταδιδακτορική ερευνήτρια στο Stanford Earth.
Η κατανόηση των μηχανισμών αυτών θα είναι σημαντική για εφαρμογές πέρα από την κατασκευή κοσμημάτων, δεδομένου ότι οι ιδιότητες των διαμαντιών- σκληρότητα, διαφάνεια, χημική σταθερότητα κ.α.- τα καθιστούν πολύτιμα για τομείς όπως η ιατρική, η βιομηχανία, οι τεχνολογίες κβαντικών υπολογιστών κ.α.
Τα φυσικά διαμάντια κρυσταλλοποιούνται από άνθρακα σε μεγάλα βάθη κάτω από την επιφάνεια της Γης, σε πολύ υψηλές θερμοκρασίες. Τα περισσότερα φυσικά διαμάντια που έχουν βρεθεί ως τώρα εκτοξεύτηκαν προς τα πάνω σε ηφαιστειακές εκρήξεις πριν από εκατομμύρια χρόνια, συνοδευόμενα από αρχαία ορυκτά από το εσωτερικό του πλανήτη. «Τα διαμάντια είναι δοχεία που μεταφέρουν δείγματα από τα έγκατα της Γης» είπε σχετικά η Γουέντι Μάο, που ηγείται του εργαστηρίου όπου έγιναν τα περισσότερα πειράματα της μελέτης.
Για τη σύνθεση των διαμαντιών οι ερευνητές άρχισαν με τρία είδη σκόνης από δεξαμενόπλοια που μετέφεραν πετρέλαιο. Με την πρώτη ματιά οι σκόνες αυτές παραπέμπουν σε άλατα βράχων, ωστόσο με μικροσκόπιο εντοπίζονται άτομα στην ίδια διαρρύθμιση με τα άτομα από τα οποία αποτελούνται τα διαμάντια. Αντίθετα με τα διαμάντια, οι σκόνες αυτές, γνωστές και ως αδαμαντοειδή, περιέχουν και υδρογόνο. «Αρχίζοντας με αυτά τα δομικά στοιχεία μπορείς να φτιάξεις διαμάντια πολύ πιο γρήγορα και εύκολα» σημείωσε η Μάο.
Οι ερευνητές έβαλαν τα δείγματα αδαμαντοειδών σε ειδικό θάλαμο πίεσης (diamond anvil cell) που πιέζει τη σκόνη μεταξύ δύο καθαρισμένων και γυαλισμένων διαμαντιών. Με μια απλή κίνηση η συσκευή μπορεί να δημιουργήσει πίεση αντίστοιχη αυτής που βρίσκεται στο κέντρο της Γης.
Μετά θέρμαναν τα δείγματα με λέιζερ, εξέτασαν τα αποτελέσματα και χρησιμοποίησαν μοντέλα υπολογιστή για να ερμηνεύσουν τη μεταμόρφωση. Όπως διαπιστώθηκε, ένα αδαμαντοειδές, το τριαμαντάνιο, μπορεί να μεταμορφώνεται σε διαμάντι με πολύ λίγη ενέργεια. Γύρω στους 620 βαθμούς Κελσίου και τα 20 γιγαπασκάλ (πίεση εκατοντάδες χιλιάδες φορές μεγαλύτερη από αυτή της ατμόσφαιρας της Γης) τα άτομα άνθρακα του τριαμαντανίου ευθυγραμμίζονται και το υδρογόνο διασκορπίζεται. Η μεταμόρφωση αυτή γίνεται σε κλάσματα δευτερολέπτου και απευθείας, καθώς τα άτομα δεν περνούν από κάποια άλλη μορφή άνθρακα (όπως πχ γραφίτη).
H τεχνική αυτή θεωρείται μάλλον μη πρακτική για σύνθεση διαμαντιών μεγαλύτερου μεγέθους από τους κόκκους που σχηματίστηκαν στο εργαστήριο, ωστόσο η Μάο τόνισε πως πλέον «γνωρίζουμε λίγα περισσότερα για τα κλειδιά για τη δημιουργία καθαρών διαμαντιών».
