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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.
Ogni colpo di laser nell'esperimento tedesco ha prodotto circa 10 trilioni di nanodiamanti. In una stazione dell'Extreme Light Infrastructure (ELI), a sud di Praga, un laser spara tre volte al minuto contro una pellicola di plastica spessa appena 100 micrometri. Ogni impulso invia un'onda d'urto attraverso la pellicola, comprime la plastica a pressioni intorno ai 100 gigapascal, ovvero circa 14,5 milioni di libbre (6,6 milioni di kg) per pollice quadrato, e forma diamanti che vengono scagliati verso un cilindro di raccolta. Il lavoro è dell'Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) e dell'Università di Rostock, e ha preso il via da esperimenti che riproducono le condizioni all'interno di Nettuno e Urano, dove le temperature raggiungono diverse migliaia di gradi Celsius. Inizialmente il team è riuscito a rilevare i cristalli solo per brevi istanti. Dominik Kraus, dell'Istituto HEDI dell'HZDR, ha spiegato che il team si aspettava la formazione di nanodiamanti, ma che la rapidità del processo li ha sorpresi.
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.
L'ostacolo vero è stato l'atterraggio. Quando l'onda di compressione esce dal campione ed entra nel vuoto, accelera i diamanti oltre 22.000 mph (35.400 km/h), cioè 10 chilometri al secondo, una velocità paragonabile a quella di un impatto meteorico. La soluzione è stata un mezzo molto morbido: un gel ionico solubile in acqua che funziona nel vuoto. Il gel ha catturato le particelle, e il team ha potuto poi lavarle ed esaminarle. All'Università di Rostock, un microscopio elettronico ELMI-MV, in grado di distinguere i singoli atomi, ha confermato dimensioni e struttura. Ben Heuser dell'HZDR, primo autore dello studio, ha definito «un momento speciale per cui lavoravamo da anni» il vedere direttamente i diamanti purificati. La resa è ancora modesta: alcune centinaia di microgrammi richiedono circa 100 colpi.
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.
L'interesse sta in ciò che il metodo cambia. A parità di materiale, diamanti più piccoli offrono più superficie, e i ricercatori ritengono che ciò potrebbe renderli catalizzatori migliori, per esempio nella scissione della CO2 con la luce solare. Partire dalla plastica facilita inoltre l'aggiunta di altri elementi al cristallo, adattandolo a funzioni specifiche, come il miglioramento dei mezzi di contrasto usati nelle risonanze magnetiche. I ricercatori citano anche l'impiego dei diamanti nei sensori quantistici. Queste applicazioni restano allo stadio di proposte; lo studio riporta un risultato di 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.
I ricercatori puntano a raggiungere l'ordine dei milligrammi, una quantità paragonabile alla produzione convenzionale, e affermano che laser più efficienti dal punto di vista energetico, sviluppati per la ricerca sulla fusione, potrebbero sparare impulsi potenti con maggiore frequenza e rendere il processo scalabile. Non è indicata alcuna data per una produzione commerciale. Il team intende inoltre usare la stessa compressione laser per produrre il BC8, una forma di carbonio finora esistente solo in teoria, che dovrebbe essere più denso del diamante, altrettanto duro e meno fragile. La sua formazione richiede condizioni che non si verificano naturalmente sulla Terra, quindi il primo tentativo, a pressioni più elevate, è previsto per novembre. Lo studio è stato pubblicato per la prima volta su Diamond and Related Materials.