Pesquisadores usam laser para produzir diamantes de grafite
A formação de diamantes na natureza depende,
essencialmente, da presença de carbono em condições de alta pressão (da
ordem de 15 gigapascal, que é um pouco mais do que 148 mil atmosferas) e
alta temperatura (da ordem de 2.500 graus Celsius).
Essas condições, presentes no interior da Terra, podem ser obtidas
também em laboratório. Uma forma bem conhecida para sintetizar diamante é
pressionar certa quantidade de grafite (gerando alta pressão) e fazer
passar por ela uma corrente elétrica (gerando alta temperatura). Os
átomos de carbono de grafite são então rearranjados em uma diferente
estrutura cristalina, constituindo o diamante convencional.
Outra forma de diamante, composta por nanocristais, já foi produzida
em laboratório, também em condições de pressão e temperatura elevadas.
Apesar de altamente desejada, devido à dureza e à resistência ainda
maiores do que as dos diamantes naturais, sua produção envolveu um
processo custoso, por conta dos equipamentos necessários.
Uma alternativa viável foi obtida por pesquisadores brasileiros.
Neste caso, os mesmos patamares de pressão e temperatura foram
alcançados mediante uma onda de choque gerada por laser de pulsos
ultracurtos. Artigo descrevendo o experimento acaba de ser publicado no
boletim on-line Scientific Reports, do grupo Nature: “Synthesis of
diamond-like phase from graphite by ultrafast laser driven dynamical
compression”.
“Além de gerar pulsos muito energéticos, o laser utilizado os emitia
em intervalos extremamente curtos [de 25 femtossegundos, isto é,
25×10-15 segundos] e os concentrava em uma área extremamente reduzida
[com raio de 65 micrômetros, isto é, de 65×10-6 metros]. Todos esses
fatores convergiram para que pudéssemos alcançar os patamares
necessários de pressão e temperatura da onda de choque”, disse à Agência
FAPESP o físico Narcizo Marques de Souza Neto, pesquisador no
Laboratório Nacional de Luz Síncrotron (LNLS) e idealizador do
experimento, no contexto de projetos apoiados pela FAPESP.
“Conseguimos um nanomaterial final altamente desejável para várias
aplicações [como potencial participante em componentes eletrônicos, em
revestimento de próteses articulares, em marcadores celulares, em
vetores de fármacos etc.] com recursos relativamente modestos”,
sintetizou o físico Francisco Carlos Barbosa Maia, pós-doutorando no
LNLS e principal autor do trabalho.
Técnica D-Scan
O trabalho também se destacou por sua simplicidade. A grafite
empregada estava na fase policristalina, a mais comum, em vez da forma
altamente ordenada e bastante cara conhecida como HOPG, que é usada em
outros estudos. O laser utilizado, apesar de produzir pulsos ultracurtos
com alta potência, também é acessível a laboratórios de médio porte, no
país e no exterior.
“O procedimento foi movimentar o bloco de grafite na frente do feixe
de laser focalizado [ver a foto], de modo que vários pulsos do laser se
sobrepusessem em cada posição da grafite, de forma quantificada por uma
técnica desenvolvida por nós, chamada D-Scan”, afirmou Ricardo Elgul
Samad, pesquisador do Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares
(Ipen) e especialista em lasers de pulsos ultracurtos de alta
intensidade, também participante de projetos apoiados pela FAPESP.
Como resultado da irradiação, foram formados vários cristais, na
escala de 50 micrômetros. E, nesse conjunto, cristalitos nanométricos de
um alótropo de carbono semelhante ao diamante.
Os cristais micrométricos foram estudados por meio de
microespectroscopia Raman (RM), microscopia eletrônica de varredura
(SEM) e microscopia eletrônica de transmissão de alta resolução (HRTEM).
“Além dos cristalitos nanométricos de tipo diamante, constatamos a
presença de outra notável formação de carbono, na qual os átomos
aparecem arranjados em uma estrutura semelhante à da cebola”, informou o
pesquisador Jefferson Bettini, do Laboratório Nacional de
Nanotecnologia (LNNano), especialista em microscopia.
Com base nessa descoberta, os pesquisadores propuseram um mecanismo
para a transformação de grafite no alótropo semelhante ao diamante.
Trata-se de uma via indireta que depende da morfologia do material
inicial, dos eventos termodinâmicos específicos produzidos pelos pulsos
ultracurtos de laser e da formação de catalisadores naturais, como as
estruturas semelhantes à cebola e grânulos de grafite de tamanho
nanométrico.
Nova fonte de luz síncrotron
Por interessante que tenha sido o resultado, os pesquisadores o
consideram apenas um primeiro passo rumo a realizações ainda mais
ousadas. “Quando iniciarmos, em 2018, a operação da nova fonte de luz
síncrotron, Sirius, teremos condições de alcançar, em experimentos de
ondas de choque, pressões e temperaturas mais altas do que 1 terapascal
(equivalente a 10 milhões de atmosferas) e 50 mil graus Celsius”,
enfatizou Souza Neto.
A atual fonte de luz síncrotron do LNLS é de segunda geração. O
Sirius, que, segundo o cronograma, emitirá seu primeiro feixe de luz em
2018, deverá ser, juntamente com o Max 4, em construção na Suécia, uma
das primeiras fontes de luz síncrotron de quarta geração no mundo.
Numerosos experimentos hoje impossíveis de serem feitos no país poderão
ser realizados com o Sirius.
Segundo Souza Neto, o atual experimento foi idealizado como uma prova
de conceito da geração de onda de choque por meio de um laser
ultracurto de alta intensidade, com vista a futuros desdobramentos por
meio do Sirius. “A síntese e o estudo de novas fases da matéria em
altíssimas pressões e temperaturas podem levar à descoberta de materiais
com propriedades extraordinárias para aplicação cotidiana”, afirmou.
“Nesse sentido, lasers são instrumentos fundamentais para atingir
condições extremas, possibilitando alcançar campos eletromagnéticos,
pressões e temperaturas nunca antes acessíveis ao homem”, complementou
Nilson Dias Vieira Junior, pesquisador do Ipen.
Assinaram o artigo publicado por Scientific Reports os pesquisadores
Francisco Carlos Barbosa Maia (LNLS), Ricardo Elgul Samad (Ipen),
Jefferson Bettini (LNNano), Raul de Oliveira Freitas (LNLS), Nilson Dias
Vieira Junior (Ipen) e Narcizo Marques de Souza Neto (LNLS). Mais um
fato positivo a destacar na realização do experimento foi a sinergia
entre as três instituições envolvidas.
O LNLS e o LNNano são dois laboratórios nacionais – abertos a
pesquisadores de todo o país e do exterior – instalados no mesmo campus,
no Centro Nacional de Pesquisa em Energia e Materiais (CNPEM), em
Campinas, São Paulo. O Ipen está localizado na Cidade Universitária, em
São Paulo.