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Each laser shot in the German experiment produced about 10 trillion nanodiamonds. At a station of the Extreme Light Infrastructure (ELI) south of Prague, a laser fires three times per minute at a plastic film only 100 micrometers thick. Each pulse sends a shock wave through the film, compresses the plastic to pressures around 100 gigapascals, or roughly 14.5 million pounds per square inch, and forms diamonds that are flung toward a collection cylinder. The work comes from the Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) and the University of Rostock, and it began with experiments that imitate conditions inside Neptune and Uranus, where temperatures reach several thousand degrees Celsius. The team could at first detect the crystals only briefly. Dominik Kraus of HZDR's HEDI Institute said the team expected nanodiamonds to form, but that the speed surprised them.
Cada disparo láser en el experimento alemán produjo unos 10 billones de nanodiamantes. En una estación de la Infraestructura de Luz Extrema (ELI), al sur de Praga, un láser dispara tres veces por minuto contra una película de plástico de apenas 100 micrómetros de grosor. Cada pulso envía una onda de choque a través de la película, comprime el plástico a presiones cercanas a los 100 gigapascales, o unos 14,5 millones de libras (6,6 millones de kg) por pulgada cuadrada, y forma diamantes que son lanzados hacia un cilindro colector. El trabajo procede del Centro Helmholtz de Dresde-Rossendorf (HZDR) y de la Universidad de Rostock, y partió de experimentos que imitan las condiciones del interior de Neptuno y Urano, donde las temperaturas alcanzan varios miles de grados Celsius. Al principio, el equipo solo pudo detectar los cristales durante breves instantes. Dominik Kraus, del Instituto HEDI del HZDR, explicó que el equipo esperaba que se formaran nanodiamantes, pero que la velocidad les sorprendió.
The real obstacle was the landing. When the compression wave leaves the sample and enters the vacuum, it accelerates the diamonds past 22,000 mph (10 kilometers per second), a speed comparable to a meteorite impact. The solution was a very soft medium: a water-soluble ionic gel that works in a vacuum. The gel caught the particles, and the team could then wash them out and examine them. At the University of Rostock, an ELMI-MV electron microscope, which can resolve individual atoms, confirmed their size and structure. Ben Heuser of HZDR, the study's primary author, called seeing the purified diamonds directly "a special moment we had been working towards for years." The output is still small: a few hundred micrograms took roughly 100 shots.
El verdadero obstáculo fue el aterrizaje. Cuando la onda de compresión sale de la muestra y entra en el vacío, acelera los diamantes hasta superar los 22.000 mph (35.400 km/h; 10 kilómetros por segundo), una velocidad comparable a la de un impacto de meteorito. La solución fue un medio muy blando: un gel iónico soluble en agua que funciona en el vacío. El gel atrapó las partículas, y el equipo pudo entonces lavarlas y examinarlas. En la Universidad de Rostock, un microscopio electrónico ELMI-MV, capaz de distinguir átomos individuales, confirmó su tamaño y su estructura. Ben Heuser, del HZDR y primer autor del estudio, calificó de «un momento especial por el que llevábamos años trabajando» ver directamente los diamantes purificados. La producción sigue siendo pequeña: unos cientos de microgramos costaron unos 100 disparos.
The interest lies in what the method changes. Smaller diamonds offer more surface area for a given amount of material, which the researchers believe could make them better catalysts, for example in splitting CO2 with sunlight. Starting from plastic also makes it easier to add other elements to the crystal, tailoring it for specific jobs such as improving contrast agents used in MRI scans. The researchers also point to the diamonds' use in quantum sensors. Those applications remain at the stage of proposals; the study itself reports a laboratory result.
El interés reside en lo que cambia el método. Los diamantes más pequeños ofrecen más superficie para una misma cantidad de material, lo que, según los investigadores, podría convertirlos en mejores catalizadores, por ejemplo para dividir el CO2 con luz solar. Partir del plástico también facilita añadir otros elementos al cristal, adaptándolo a tareas concretas, como mejorar los agentes de contraste que se usan en las resonancias magnéticas. Los investigadores también señalan el uso de los diamantes en sensores cuánticos. Esas aplicaciones siguen en fase de propuesta; el estudio en sí informa de un resultado de laboratorio.
The researchers aim to reach the milligram range, a quantity comparable to conventional production, and they say that more energy-efficient lasers from fusion research could fire powerful pulses more often and make the process scalable. No date for commercial output is given. The team also intends to use the same laser compression to make BC8, a form of carbon that so far exists only in theory and is expected to be denser than diamond, similarly hard and less brittle. Forming it requires conditions that do not occur naturally on Earth, so the first attempt, at higher pressures, is planned for November. The study was first published in Diamond and Related Materials.
Los investigadores pretenden alcanzar el rango del miligramo, una cantidad comparable a la producción convencional, y afirman que láseres más eficientes energéticamente, procedentes de la investigación en fusión, podrían disparar pulsos potentes con más frecuencia y hacer escalable el proceso. No se indica fecha para la producción comercial. El equipo también quiere utilizar la misma compresión láser para fabricar BC8, una forma de carbono que hasta ahora solo existe en teoría y que se espera que sea más densa que el diamante, igual de dura y menos frágil. Su formación requiere condiciones que no se dan de forma natural en la Tierra, por lo que el primer intento, a presiones más altas, está previsto para noviembre. El estudio se publicó por primera vez en Diamond and Related Materials.