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.