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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 do laser na experiência alemã produziu cerca de 10 biliões de nanodiamantes. Numa estação da Infraestrutura de Luz Extrema (ELI), a sul de Praga, um laser dispara três vezes por minuto contra uma película de plástico com apenas 100 micrómetros de espessura. Cada impulso envia uma onda de choque através da película, comprime o plástico até pressões na ordem dos 100 gigapascais, ou cerca de 14,5 milhões de libras (6,6 milhões de kg) por polegada quadrada, e forma diamantes que são projetados para um cilindro coletor. O trabalho provém do Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) e da Universidade de Rostock, e começou com experiências que reproduzem as condições no interior de Neptuno e de Urano, onde as temperaturas chegam a vários milhares de graus Celsius. Inicialmente, a equipa só conseguiu detetar os cristais durante pouco tempo. Dominik Kraus, do Instituto HEDI do HZDR, afirmou que a equipa esperava que se formassem nanodiamantes, mas que a rapidez do processo a surpreendeu.
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.
O verdadeiro obstáculo era a aterragem. Quando a onda de compressão sai da amostra e entra no vácuo, acelera os diamantes para além dos 22 000 mph (35 400 km/h), ou seja, 10 quilómetros por segundo, uma velocidade comparável à de um impacto de meteorito. A solução foi um meio muito macio: um gel iónico solúvel em água que funciona no vácuo. O gel apanhou as partículas, e a equipa pôde então lavá-las e examiná-las. Na Universidade de Rostock, um microscópio eletrónico ELMI-MV, capaz de distinguir átomos individuais, confirmou o seu tamanho e estrutura. Ben Heuser, do HZDR, principal autor do estudo, descreveu como «um momento especial pelo qual trabalhávamos há anos» a observação direta dos diamantes purificados. A produção continua a ser pequena: algumas centenas de microgramas exigiram cerca de 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.
O interesse está no que o método muda. Diamantes mais pequenos oferecem mais área de superfície para uma mesma quantidade de material, o que, segundo os investigadores, poderá torná-los melhores catalisadores, por exemplo na decomposição do CO2 com luz solar. Partir do plástico também facilita a adição de outros elementos ao cristal, adaptando-o a funções específicas, como a melhoria dos agentes de contraste utilizados em exames de ressonância magnética. Os investigadores referem ainda a utilização dos diamantes em sensores quânticos. Essas aplicações continuam na fase de propostas; o estudo, em si, apresenta um resultado laboratorial.
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.
Os investigadores pretendem chegar à ordem do miligrama, uma quantidade comparável à da produção convencional, e afirmam que lasers mais eficientes em termos energéticos, provenientes da investigação em fusão nuclear, poderão disparar impulsos potentes com maior frequência e tornar o processo escalável. Não é indicada nenhuma data para a produção comercial. A equipa tem também a intenção de utilizar a mesma compressão laser para produzir BC8, uma forma de carbono que até agora só existe em teoria e que deverá ser mais densa do que o diamante, igualmente dura e menos frágil. A sua formação exige condições que não ocorrem naturalmente na Terra, pelo que a primeira tentativa, a pressões mais elevadas, está prevista para novembro. O estudo foi publicado pela primeira vez na revista Diamond and Related Materials.