Diamantes são fabricados em pressão ambiente

Redação do Site Inovação Tecnológica - 25/04/2024

O metal líquido fica em um molde de grafite, tudo dentro da câmara com a atmosfera adequada, mas sem necessidade de alta pressão.
[Imagem: Yan Gong et al. - 10.1038/s41586-024-07339-7]

Diamante cultivado em pressão ambiente

Embora já existam técnicas para fabricar nanodiamantes em condições ambientais normais de temperatura e pressão, 99% dos diamantes sintéticos continuam sendo produzidos usando métodos de alta pressão e alta temperatura (APAT).

Um paradigma predominante é que os diamantes só podem ser cultivados usando catalisadores de metal líquido na faixa de pressão de gigapascals (GPa) - normalmente de 5 a 6 GPa, onde 1 GPa é cerca de 10.000 atmosferas - e na faixa de temperatura de 1300 a 1600 °C.

O problema é que os diamantes produzidos com APAT estão sempre limitados a tamanhos de aproximadamente um centímetro cúbico devido aos equipamentos envolvidos, já que atingir pressões tão altas só pode ser feito em uma escala de comprimento relativamente pequena.

Agora, Yan Gong e colegas do Instituto Nacional de Ciência e Tecnologia de Ulsan, na Coreia do Sul, finalmente desafiaram esse paradigma vigente, desenvolvendo um método alternativo para fabricar diamantes em metal líquido sob condições mais amenas, particularmente a pressões mais baixas, o que permite fabricar diamantes sintéticos 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 líquido

A equipe desenvolveu um equipamento e ajustou seus parâmetros de funcionamento de modo a cultivar 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.

Foi um trabalho exaustivo e criterioso, até chegar a uma liga de metal líquido composta por uma proporção de 77,75/11/11/0,25 (porcentagens atômicas) de gálio/níquel/ferro/silício, que deve então ser exposta a metano e hidrogênio sob pressão de 1 atmosfera e temperatura de 1025 °C.

"Estávamos realizando nossos estudos paramétricos em uma câmara grande, chamada RSR-A, com volume interno de 100 litros, e nossa busca por parâmetros que produziriam o crescimento do diamante vinha sendo 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 pudesse então ser preenchida com pressão de 1 atmosfera de mistura de hidrogênio/metano bastante pura (novamente 90 minutos)," contou o professor Rodney Ruoff, concluindo que eram mais de 3 horas apenas para começar cada experimento.

Como ninguém esperava produzir diamantes em tal volume, a equipe partiu para construir um equipamento menor. "Nosso novo sistema construído em casa (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. Isso acelerou muito nossos estudos paramétricos, e isso nos ajudou a descobrir os parâmetros pelos quais o diamante cresce no metal líquido," acrescentou seu colega Won Seong.

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

Muito mais por vir

A formação inicial ocorre sem a necessidade de sementes, sejam nanodiamantes ou outras partículas comumente usadas em APAT convencionais e em métodos de síntese por deposição química de vapor. Uma vez formadas, as partículas 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 é muito rápido, com cada rodada durando não mais do que 15 minutos.

Medições de difração por raios X mostram que o filme de diamante sintetizado possui uma pureza muito alta, além de um aspecto não totalmente compreendido, mas muito interessante, que consiste na presença de grande número de centros de cor com lacunas de silício na estrutura do diamante - um centro de cor, ou centro de vacância de nitrogênio, é um defeito na estrutura cristalina que transforma o diamante em um qubit para computadores quânticos.

"O diamante pode ser cultivado em uma ampla variedade de ligas de metal líquido com pontos de fusão relativamente baixo, como aquelas 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 cor. E há uma ampla gama de precursores de carbono disponíveis além do metano (vários gases e também carbonos sólidos).

"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 quero crer que a criatividade e a engenhosidade técnica da comunidade de pesquisa, a partir da nossa descoberta, levará rapidamente a outras abordagens relacionadas e configurações experimentais. Existem inúmeros caminhos intrigantes para explorar," concluiu Ruoff.

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