Τα νανοδιαμάντια δεν είναι παντοτινά

Αν και χιλιετίες τώρα όλοι είμαστε βέβαιοι περί του αντιθέτου, επιστήμονες ανακάλυψαν ότι τελικά τα διαμάντια δεν είναι παντοτινά – τουλάχιστον όχι στη νανοκλίμακα. Ερευνητές από το Πανεπιστήμιο Ράις στο Χιούστον του Τέξας κατόρθωσαν με μια σχετικά απλή διαδικασία να δημιουργήσουν νανοδιαμάντια, αυτά όμως διήρκεσαν μόλις μερικά δευτερόλεπτα και στη συνέχεια διαλύθηκαν. Η ανακάλυψη πρόκειται να διευκολύνει τη σύνθεση νανοδιαμαντιών τα οποία τα τελευταία χρόνια έχουν αποδειχθεί πολύτιμα για την ιατρική και την οδοντιατρική καθώς φαίνονται να ενισχύουν την ανάπτυξη και την ανθεκτικότητα των οστών και των δοντιών.
Διαμάντια σε στρώσεις του ανθρακίτη
Ο Εντ Μπίλαπς, καθηγητής Χημείας στο Ράις, και ο Γιανκιού Σουν, τότε μεταδιδακτορικός φοιτητής του, παρατήρησαν την «αδαμαντογένεση» ενώ έκαναν πειράματα με έναν εντελώς διαφορετικό στόχο –να απομονώσουν άνθρακα από ανθρακίτη και να τον καταστήσουν διαλυτό. Ξαφνικά οι ερευνητές είδαν νανοδιαμάντια να σχηματίζονται ανάμεσα στα άμορφα στρώματα του ανθρακίτη στα οποία είχαν εισαγάγει υδρογόνο. Διερευνώντας το ζήτημα είδαν ότι αυτό συνέβαινε όταν έπαιρναν κοντινές λήψεις του άνθρακα με ηλεκτρονικό μικροσκόπιο, το οποίο λειτουργεί στέλνοντας μια δέσμη ηλεκτρονίων στο σημείο όπου πρέπει να εστιάσει.  Όπως ανακάλυψαν, η ενέργεια από τη δέσμη ηλεκτρονίων του μικροσκοπίου δημιουργούσε συστοιχίες από υδρογονωμένα άτομα άνθρακα, εκ των οποίων ορισμένα έπαιρναν τη δομή νανοδιαμαντιών.
«Η δέσμη ηλεκτρονίων είναι πολύ ισχυρή» δήλωσε ο καθηγητής Μπίλαπς σε δελτίο Τύπου του πανεπιστημίου. «Για να αφαιρέσει κάποιος υδρογονωμένα άτομα άνθρακα από ένα υλικό χρειάζεται τεράστια ποσότητα ενέργειας». Στη μακροκλίμακα η ενέργεια και οι πιέσεις που απαιτούνται για τη δημιουργία των φυσικού μεγέθους διαμαντιών είναι πραγματικά ασύλληπτες, στη νανοκλίμακα όμως φαίνεται ότι όλα μειώνονται σε «νανο». Η ενέργεια του ηλεκτρονικού μικροσκοπίου ήταν αρκετή, όπως φάνηκε στα πειράματα, ώστε να αποδεσμεύσει άτομα υδρογόνου προκαλώντας ανάμεσα στις στρώσεις του άνθρακα μια αλυσιδωτή αντίδραση η οποία οδηγούσε στον σχηματισμό διαμαντιών με διάμετρο 2-10 νανομέτρων. Αυτά όμως είχαν πολύ μικρή διάρκεια ζωής. «Τα πιο μικρά διαμάντια δεν είναι αρκετά σταθερά και γρήγορα μετατρέπονται στο αρχικό υλικό, σε ανθρακίτη» τόνισε ο κ. Μπίλαπς.
Ρωσική χείρα βοηθείας
Προκειμένου να ερμηνεύσουν αυτά που παρατήρησαν οι ερευνητές ζήτησαν τη βοήθεια συναδέλφων τους από το Ράις αλλά και από το Τεχνολογικό Ινστιτούτο Υπέρσκληρων και Καινοτόμων Υλικών Άνθρακα στη Μόσχα. Ο Μπορίς Γιάκοσμπσον του Ράις και οι Πάβελ Σορόκιν και Αλεξάντερ Κβασνίν από το ινστιτούτο της Μόσχας είχαν ήδη αναπτύξει σε προηγούμενη εργασία τους ένα διάγραμμα φάσης, όπως ονομάζεται, το οποίο έδειχνε πώς είναι δυνατόν να παραχθούν πολύ λεπτές στρώσεις – φιλμ – άνθρακα χωρίς την ανάγκη εφαρμογής τεράστιων πιέσεων.
Οι ερευνητές χρησιμοποίησαν μια ανάλογη μέθοδο για να δείξουν πώς νανοδιαμάντια μπορούσαν να παραχθούν σε επεξεργασμένο με υδρογόνο ανθρακίτη και υπο-ασφαλτούχο άνθρακα. Όπως έδειξαν, στην περίπτωση αυτή η δέσμη ηλεκτρονίων του μικροσκοπίου αφαιρεί άτομα υδρογόνου από τις στρώσεις του άνθρακα και στη συνέχεια οι δεσμοί που μένουν «ανοιχτοί» ενώνονται με μια πλαϊνή στρώση άνθρακα η οποία με τη σειρά της οδηγείται στο να ενωθεί με την πλαϊνή της στρώση άνθρακα. Η αντίδραση αυτή «κλείνει» τα άτομα σε μια μήτρα χαρακτηριστική των διαμαντιών ώσπου τελικά οι δυνάμεις της πίεσης σταματούν τη διαδικασία.
«Υπάρχει ένα παράθυρο σταθερότητας για τη δημιουργία διαμαντιών, το οποίο είναι ανάμεσα στα 19-52 άνγκστρομ (δέκατα του νανομέτρου). Πέρα από αυτό ο άνθρακας είναι πιο σταθερός» εξήγησε ο καθηγητής Μπίλαπς. Όπως ανακάλυψαν οι ειδικοί, στον υδρογονωμένο ανθρακίτη μπορούν να σχηματιστούν σταθερά νανοδιαμάντια μεγέθους ως και περίπου 20 νανομέτρων, αλλά τα μικρότερα από αυτά είναι ασταθή και διαλύονται μέσα σε μερικά δευτερόλεπτα.
Η μελέτη δημοσιεύθηκε στην επιθεώρηση «Journal of Physical Chemistry Letters».
Βήμα Science