Λέιζερ μετέτρεψε πλαστικό υλικό σε δισεκατομμύρια μικροσκοπικά διαμάντια

Ισχυρά λέιζερ κατάφεραν να μετατρέψουν το πλαστικό σε μικροσκοπικά διαμάντια.

Αυτά τα διαμάντια περιέχουν περίπου 3,000 άτομα το καθένα και θα μπορούσαν να τροποποιηθούν με την προσθήκη άλλων στοιχείων για χρήση στην ιατρική απεικόνιση.

Όμως η ανάκτηση των κρυστάλλων απαιτεί την παγίδευσή τους καθώς εκτοξεύονται με ταχύτητες συγκρίσιμες με εκείνες μιας πρόσκρουσης μετεωρίτη. Ερευνητές από το Κέντρο Helmholtz και το Πανεπιστήμιο του Ρόστοκ στη Γερμανία κατάφεραν να συλλέξουν αυτούς τους κρυστάλλους άθικτους αποδεικνύοντας ότι επιβιώνουν από τη μετάβαση των ακραίων συνθηκών πίεσης και θερμοκρασίας στις συνηθισμένες συνθήκες.

Τα σωματίδια που ανακτήθηκαν είχαν μέση διάμετρο τριών νανομέτρων, δηλαδή τριών δισεκατομμυριοστών του μέτρου, και κάθε διαμάντι περιείχε περίπου 3,000 άτομα άνθρακα. Η τεχνική με λέιζερ επιτρέπει την παραγωγή διαμαντιών με συνδυασμό υψηλής καθαρότητας, εξαιρετικά μικρού μεγέθους και πολύ ομοιόμορφης κατανομής μεγέθους των σωματιδίων χαρακτηριστικά που δεν μπορούν να επιτευχθούν με συμβατικές μεθόδους, συμπεριλαμβανομένων των εκρήξεων.

Τα διαμάντια σχηματίζονται ταχύτερα από ό,τι αναμενόταν

Η έρευνα ξεκίνησε με πειράματα που είχαν σχεδιαστεί για να προσομοιώσουν τις συνθήκες στο εσωτερικό πλανητών όπως ο Ποσειδώνας και ο Ουρανός, όπου οι θερμοκρασίες φτάνουν αρκετές χιλιάδες βαθμούς Κελσίου και οι πιέσεις είναι εκατομμύρια φορές υψηλότερες από την ατμοσφαιρική πίεση της Γης.

Η εκτόξευση ισχυρών παλμών λέιζερ πάνω σε πλαστικά υλικά δημιούργησε συνθήκες υπό τις οποίες ο άνθρακας μετατράπηκε σε διαμάντια. Αρχικά ωστόσο οι ερευνητές μπορούσαν να ανιχνεύσουν τους κρυστάλλους μόνο για πολύ σύντομο χρονικό διάστημα, όσο διαρκούσαν αυτές οι ακραίες συνθήκες.

«Περιμέναμε ότι θα σχηματίζονταν νανοδιαμάντια υπό αυτές τις συνθήκες. Αυτό που μας εξέπληξε, όμως, ήταν το πόσο γρήγορα συνέβη, γεγονός που μας οδήγησε αμέσως στην ιδέα μιας πιθανής τεχνολογικής εφαρμογής» αναφέρει ο Ντομινίκ Κράους, ιδρυτής και διευθυντής του νέου Ινστιτούτου Φυσικής Υψηλής Ενεργειακής Πυκνότητας HEDI στο Κέντρο Helmholtz και καθηγητής στο Πανεπιστήμιο του Ροστόκ στη Γερμανία.

Ασφαλής προσγείωση για διαμάντια υψηλής ταχύτητας

Για να ανακτήσουν σωματίδια και να τα μελετήσουν λεπτομερέστερα, οι ερευνητές εργάστηκαν στις εγκαταστάσεις Extreme Light Infrastructure (ELI), νότια της Πράγας. Πρόκειται για μια ερευνητική εγκατάσταση λέιζερ που συνδυάζει πολύ υψηλή ενέργεια παλμών με υψηλή συχνότητα επανάληψης.

Στην εγκατάσταση L4n-P3 ένα ισχυρό λέιζερ πυροδοτούσε τρεις φορές το λεπτό πάνω σε ένα λεπτό φιλμ πλαστικού PET πάχους μόλις 100 μικρομέτρων δηλαδή περίπου 0,004 ίντσες. Καθώς η δέσμη σάρωνε την επιφάνεια του φιλμ κάθε παλμός δημιουργούσε ένα κρουστικό κύμα το οποίο συμπίεζε το πλαστικό σχημάτιζε νανοδιαμάντια και τα εκτόξευε προς έναν κυλινδρικό συλλέκτη.

«Όταν το κύμα συμπίεσης φτάνει στο άκρο του δείγματος, εισέρχεται απότομα στο κενό επιταχύνοντας τα νανοδιαμάντια σε ταχύτητες μεγαλύτερες από δέκα χιλιόμετρα το δευτερόλεπτο συγκρίσιμες με εκείνες μιας πρόσκρουσης μετεωρίτη. Για να αποτρέψουμε την άμεση καταστροφή των διαμαντιών κατά την πρόσκρουσή τους στον συλλέκτη πρέπει να χρησιμοποιήσουμε ένα πολύ μαλακό υλικό συλλογής» εξήγησε ο Κράους.

Για να απορροφήσει την πρόσκρουση των σωματιδίων που έφταναν με ταχύτητα μεγαλύτερη από 22,000 μίλια την ώρα η ομάδα επέλεξε μια υδατοδιαλυτή ιοντική γέλη, η οποία μπορούσε να λειτουργήσει και σε συνθήκες κενού. Στη συνέχεια τα διαμάντια εξήχθησαν από τη γέλη και καθαρίστηκαν, ώστε να είναι έτοιμα για εξέταση.

Παρότι σε κάθε παλμό λέιζερ παράγονταν περίπου δέκα τρισεκατομμύρια διαμάντια, η ομάδα χρειάστηκε περίπου 100 παλμούς για να συλλέξει μερικές εκατοντάδες μικρογραμμάρια υλικού. Η ποσότητα αυτή ήταν αρκετή για την αναγνώριση και τον χαρακτηρισμό των σωματιδίων με τη χρήση του ηλεκτρονικού μικροσκοπίου ELMI-MV, στο Τμήμα Life, Light, & Matter του Πανεπιστημίου του Ρόστοκ.

«Αφού εξαγάγαμε τα νανοδιαμάντια από το υλικό συλλογής και τα καθαρίσαμε, μπορέσαμε να τα δούμε για πρώτη φορά απευθείας με το ELMI-MV. Ήταν μια ξεχωριστή στιγμή, για την οποία εργαζόμασταν επί χρόνια. Με αυτό το όργανο μπορούμε ακόμη και να διακρίνουμε μεμονωμένα άτομα», δήλωσε ο Μπεν Χάουζερ του Κέντρου Helmholtz κύριος συγγραφέας της μελέτης ο οποίος πραγματοποίησε τα πειράματα στο πλαίσιο της διδακτορικής του διατριβής στο Πανεπιστήμιο του Ροστόκ.

Τα μικρότερα διαμάντια θα μπορούσαν να επιταχύνουν τις χημικές αντιδράσεις

Τα νανοδιαμάντια είναι σκληρά, σταθερά και ανθεκτικά στη θερμότητα και ήδη χρησιμοποιούνται σε υλικά λείανσης και στίλβωσης. Η παραγωγή μικρότερων και καθαρότερων σωματιδίων, με πιο ομοιόμορφο μέγεθος θα μπορούσε να διευρύνει τις εφαρμογές τους στην ιατρική, στα νέα υλικά και στις ενεργειακές τεχνολογίες.

Οι πιθανές χρήσεις περιλαμβάνουν εξαιρετικά ευαίσθητους κβαντικούς αισθητήρες, οι οποίοι αξιοποιούν κβαντικά φαινόμενα για την πραγματοποίηση μετρήσεων καθώς και σκιαγραφικά μέσα που διευκολύνουν την απεικόνιση των εσωτερικών δομών του ανθρώπινου σώματος.

Τα μικρότερα διαμάντια προσφέρουν επίσης μεγαλύτερη συνολική επιφάνεια για την ίδια ποσότητα υλικού, παρέχοντας περισσότερο χώρο για τη διεξαγωγή χημικών αντιδράσεων. Αυτό θα μπορούσε να αυξήσει την αποτελεσματικότητά τους ως καταλυτών — ουσιών που επιταχύνουν τις αντιδράσεις — σε διαδικασίες όπως η διάσπαση του διοξειδίου του άνθρακα με τη χρήση ηλιακού φωτός.

Η χρήση πλαστικού ως αρχικού υλικού διευκολύνει επίσης την ενσωμάτωση ατόμων άλλων χημικών στοιχείων στα διαμάντια, μια διαδικασία που ονομάζεται νόθευση (doping). Με αυτόν τον τρόπο οι ιδιότητες των σωματιδίων μπορούν να προσαρμοστούν σε συγκεκριμένες εφαρμογές μεταξύ άλλων στη βελτίωση σκιαγραφικών μέσων για ιατρικές εξετάσεις μαγνητικής τομογραφίας (MRI).

Περισσότεροι παλμοί λέιζερ περισσότερα διαμάντια

Η έρευνα για την πυρηνική σύντηξη συμβάλλει στην ανάπτυξη ενεργειακά αποδοτικότερων λέιζερ, ικανών να παράγουν ισχυρούς παλμούς συχνότερα.

Η αξιοποίηση αυτών των τεχνολογικών εξελίξεων για την παραγωγή νανοδιαμαντιών θα μπορούσε να αυξήσει την παραγωγή, επιτρέποντας την πραγματοποίηση περισσότερων παλμών σε μικρότερο χρονικό διάστημα. Αυτό ενδέχεται να καταστήσει τη διαδικασία κατάλληλη για παραγωγή μεγάλης κλίμακας και να υποστηρίξει καθαρότερες, πιο βιώσιμες μεθόδους βιομηχανικής παραγωγής.

Μέσα από περαιτέρω πειράματα στα εργαστήριά τους στο Πανεπιστήμιο του Ροστόκ και σε μεγάλες ερευνητικές εγκαταστάσεις, οι επιστήμονες επιδιώκουν να αυξήσουν την παραγόμενη ποσότητα στην περιοχή των χιλιοστογραμμαρίων, μια ποσότητα συγκρίσιμη με εκείνη που επιτυγχάνεται με συμβατικές μεθόδους παραγωγής.

Η ομάδα θέλει επίσης να χρησιμοποιήσει τη συμπίεση με λέιζερ για να δημιουργήσει το BC8, μια μορφή άνθρακα που μέχρι σήμερα έχει προβλεφθεί μόνο θεωρητικά. Εκτιμάται ότι θα είναι πυκνότερη από το διαμάντι, εξίσου σκληρή και λιγότερο εύθραυστη.

Οι συνθήκες που απαιτούνται για τον σχηματισμό της δεν απαντώνται φυσικά στη Γη. Για τον λόγο αυτό, οι ερευνητές ελπίζουν να την παραγάγουν απευθείας από πλαστικό, εφαρμόζοντας ακόμη υψηλότερες πιέσεις με ισχυρά λέιζερ, σε ένα αρχικό πείραμα που έχει προγραμματιστεί για το Νοέμβριο.

ΔΙΑΒΑΣΤΕ ΕΠΙΣΗΣ:

Γαλλία: Απαγορεύσεις κυκλοφορίας υπό τον φόβο νέων επεισοδίων - Σε δύσκολη θέση ο Μακρόν

Κρήτη - μεταναστευτικό: Μπαράζ αφίξεων στα νότια - Εκατοντάδες άτομα σε λίγες ώρες

ΟΠΕΚΕΠΕ: Το πειθαρχικό της ΑΑΔΕ δικαίωσε ομόφωνα την Παρασκευή Τυχεροπούλου