Científicos producen diamantes nanoestructurados al irradiar grafito con laser

El resultado, obtenido con una fuente de luz que emite pulsos ultracortos de 25 femtosegundos, salió en Scientific Reports, una publicación del grupo Nature

José Tadeu Arantes | Agência FAPESP – La formación de diamante en la naturaleza depende esencialmente de la presencia de carbono en condiciones de alta presión (del orden de los 15 gigapascales, lo que equivale a un poco más de 148 mil atmósferas) y alta temperatura (del orden de los 2.500 grados Celsius).

Estas condiciones, presentes en el interior de la Tierra, pueden alcanzarse también en laboratorio. Una forma muy conocida de sintetizar diamante consiste en presionar una determinada cantidad de grafito (generando alta presión) y hacer pasar por ella una corriente eléctrica (generando alta temperatura). En dichas condiciones, los átomos de carbono de grafito se reordenan en una estructura cristalina distinta, que constituye el diamante convencional.

También se elabora en laboratorio otra forma de diamante, compuesta por nanocristales e igualmente en elevadas condiciones de presión y temperatura. Pese a que es altamente buscada, debido a su dureza y su resistencia, mayores aún que las de los diamantes naturales, su producción implica un proceso costoso, habida cuenta de los aparatos necesarios.

Pero científicos brasileños han arribado a una alternativa factible. En este caso, los mismos niveles de presión y de temperatura se alcanzaron mediante una onda de choque generada por láseres de pulsos ultracortos. Un artículo en el cual se describe este experimento acaba de salir publicado en Scientific Reports –boletín online del grupo Nature– intitulado “Synthesis of diamond-like phase from graphite by ultrafast laser driven dynamical compression”.

“Aparte de generar pulsos muy energéticos, el láser que se utilizó los emitía a intervalos sumamente cortos [de 25 femtosegundos, esto es, 25×10-15 segundos] y los concentraba en un área extremadamente reducida [con un radio de 65 micrones, es decir, de 65×10-6 metros]. Todos estos factores convergieron para que pudiéramos llegar a los niveles necesarios de presión y temperatura de la onda de choque”, declaró a Agência FAPESP el físico Narcizo Marques de Souza Neto, científico del Laboratorio Nacional de Luz Sincrotrón (LNLS) y mentor del experimento, llevado a cabo en el marco de proyectos apoyados por la FAPESP.

“Obtuvimos un nanomaterial final altamente deseable y destinado a diversas aplicaciones [como potencial participante en componentes electrónicos, como revestimiento de prótesis articulares e insertado en marcadores celulares, en vectores de fármacos, etc.] con recursos relativamente modestos”, sintetizó el físico Francisco Carlos Barbosa Maia, posdoctorando en el LNLS y principal autor del trabajo.

La técnica D-Scan

Este trabajo también despuntó por su simplicidad. El grafito empleado se hallaba en la fase policristalina, la más común, en lugar de encontrarse en la forma altamente ordenada y bastante cara, conocida como HOPG, que se emplea en otros estudios. El láser utilizado, pese a producir pulsos ultracortos con alta potencia, también es accesible para laboratorios de mediano porte de Brasil y del exterior.

“El procedimiento consistió en mover el bloque de grafito al frente del haz de láser enfocado [véase la foto], de modo tal que varios pulsos del láser se superpusiesen en cada posición del grafito en forma cuantificada, mediante el empleo de una técnica que nosotros desarrollamos y a la que denominamos D-Scan”, afirmó Ricardo Elgul Samad, científico del Instituto de Investigaciones Energéticas y Nucleares (Ipen, por sus siglas en portugués) y experto en láseres de pulsos ultracortos de alta intensidad, quien también participa en proyectos que cuentan con el apoyo de la FAPESP.

Como resultado de la irradiación, se formaron diversos cristales a escala de 50 micrones. Y en ese conjunto, cristalitos nanométricos de un alótropo de carbono similar al diamante.

Los cristales micrométricos se estudiaron con microespectroscopia Raman (RM), microscopía electrónica de barrido (SEM) y microscopía electrónica de transmisión de alta resolución (HRTEM). “Aparte de los cristalitos nanométricos tipo diamante, constatamos la presencia de otra notable formación de carbono en la cual los átomos aparecen ordenados en una estructura análoga a la de una cebolla”, informó el investigador Jefferson Bettini, del Laboratorio Nacional de Nanotecnología (LNNano), experto en microscopía.

Con base en este descubrimiento, los científicos propusieron un mecanismo destinado a la transformación del grafito en el alótropo similar al diamante. Se trata de una vía indirecta que depende de la morfología del material inicial, de los eventos termodinámicos específicos producidos por los pulsos ultracortos de láser y de la formación de catalizadores naturales, tales como las estructuras análogas a la cebolla y gránulos de grafito de tamaño nanométrico.

Una nueva fuente de luz sincrotrón

Sin embargo, por más interesante que haya sido el resultado obtenido, los científicos lo consideran tan sólo un primer paso rumbo a realizaciones más audaces aún. “Cuando iniciemos la operación de la nueva fuente de luz sincrotrón, Sirius, en 2018, estaremos en condiciones de alcanzar presiones y temperaturas más altas que 1 terapascal (equivalente a 10 millones de atmósferas) y 50 mil grados Celsius en experimentos de ondas de choque”, enfatizó Souza Neto.

La actual fuente de luz sincrotrón del LNLS es de segunda generación. Sirius, de acuerdo con el cronograma, emitirá su primer haz de luz en 2018, y será –junto con el Max 4, en construcción en Suecia– una de las primeras fuentes de luz sincrotrón de cuarta generación existentes en el mundo. Numerosos experimentos que actualmente resulta imposible hacer en Brasil se materializarán con Sirius.

Según Souza Neto, el actual experimento se ideó como una prueba de concepto de la generación de onda de choque mediante un láser ultracorto de alta intensidad, con la mira puesta en futuros despliegues que se materializarán con Sirius. “La síntesis y el estudio de nuevas fases de la materia a altísimas presiones y temperaturas pueden llevar al descubrimiento de materiales con propiedades extraordinarias para su aplicación cotidiana”, afirmó.

“En este sentido, los láseres son instrumentos fundamentales para llegar a condiciones extremas, pues permiten alcanzar campos electromagnéticos, presiones y temperaturas nunca antes accesibles para el hombre”, complementó Nilson Dias Vieira Junior, investigador del Ipen.

Firmaron el artículo publicado en Scientific Reports los científicos Francisco Carlos Barbosa Maia (LNLS), Ricardo Elgul Samad (Ipen), Jefferson Bettini (LNNano), Raul de Oliveira Freitas (LNLS), Nilson Dias Vieira Junior (Ipen) y Narcizo Marques de Souza Neto (LNLS). Y otro hecho positivo y digno de destacar en la realización de este experimento fue la sinergia existente entre las tres instituciones participantes.

El LNLS y el LNNano son dos laboratorios brasileños –abiertos a científicos de todo el país y del exterior– instalados en el mismo campus, en el Centro Nacional de Investigaciones en Energía y Materiales (CNPEM) de Campinas, São Paulo. El Ipen tiene su sede en la Ciudad Universitaria, en São Paulo.