Τα διαμάντια που ανακτώνται από πλαστικό περιέχουν περίπου 3.000 άτομα το καθένα και θα μπορούσαν να τροποποιηθούν με άλλα στοιχεία για μελλοντική χρήση στην ιατρική απεικόνιση.
Η μετατροπή του πλαστικού
Ισχυρά λέιζερ μπορούν να μετατρέψουν το πλαστικό σε μικροσκοπικά διαμάντια, αλλά η ανάκτηση των κρυστάλλων σημαίνει ότι τα συλλέγουν καθώς εκτοξεύονται με ταχύτητες συγκρίσιμες με την πρόσκρουση ενός μετεωρίτη. Ερευνητές στο Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) και στο Πανεπιστήμιο του Rostock έχουν πλέον συλλέξει αυτά τα διαμάντια άθικτα, δείχνοντας ότι επιβιώνουν από την επιστροφή από ακραία πίεση και θερμοκρασία σε συνηθισμένες συνθήκες.
Τα ανακτημένα σωματίδια είχαν μέσο μέγεθος τρία νανόμετρα, ή τρία δισεκατομμυριοστά του μέτρου, με περίπου 3.000 άτομα άνθρακα σε κάθε διαμάντι. Η τεχνική λέιζερ παράγει έναν συνδυασμό υψηλής καθαρότητας, εξαιρετικά μικρού μεγέθους και στενά ταιριαστών μεγεθών σωματιδίων που οι συμβατικές μέθοδοι, συμπεριλαμβανομένων των εκρήξεων, δεν μπορούν να επιτύχουν.
Τα διαμάντια σχηματίζονται ταχύτερα από το αναμενόμενο
Η εργασία ξεκίνησε με πειράματα σχεδιασμένα για την προσομοίωση συνθηκών μέσα σε πλανήτες 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 πυροδότηση λέιζερ υψηλής ισχύος σε πλαστικά δημιούργησε συνθήκες υπό τις οποίες ο άνθρακας σχημάτιζε διαμάντια, αν και οι ερευνητές αρχικά μπορούσαν να ανιχνεύσουν τους κρυστάλλους μόνο για λίγο όσο διαρκούσαν αυτές οι ακραίες συνθήκες.
Μια ομαλή προσγείωση για διαμάντια που κινούνται με ταχύτητα
Για να ανακτήσει σωματίδια για πιο προσεκτική μελέτη, η ομάδα εργάστηκε στην Υποδομή Ακραίου Φωτός (ELI) νότια της Πράγας, μια εγκατάσταση λέιζερ που συνδυάζει πολύ υψηλές ενέργειες παλμών με υψηλό ρυθμό επανάληψης. Στις εγκαταστάσεις L4n-P3, ένα λέιζερ υψηλής ισχύος πυροδότησε τρεις φορές ανά λεπτό σε μια πλαστική μεμβράνη PET πάχους μόλις 100 μικρομέτρων, περίπου 0,004 ίντσες. Καθώς η δέσμη σάρωσε την μεμβράνη, κάθε παλμός δημιούργησε ένα κύμα κρούσης που συμπιέζει το πλαστικό, σχηματίζει νανοδιαμάντια και τα στέλνει προς έναν κύλινδρο συλλογής.
«Όταν το κύμα συμπίεσης φτάσει στο τέλος του δείγματος, εισέρχεται απότομα στο κενό, επιταχύνοντας τα νανοδιαμάντια σε ταχύτητες άνω των δέκα χιλιομέτρων ανά δευτερόλεπτο - συγκρίσιμη με την πρόσκρουση ενός μετεωρίτη. Για να αποτρέψουμε την άμεση καταστροφή των διαμαντιών κατά την πρόσκρουση με τον κύλινδρο συλλογής, πρέπει να χρησιμοποιήσουμε ένα πολύ μαλακό μέσο συλλογής», λέει ο Kraus.
Για να απορροφήσει τα σωματίδια που έφταναν με ταχύτητα μεγαλύτερη από 22.000 μίλια ανά ώρα, η ομάδα επέλεξε ένα υδατοδιαλυτό ιοντικό τζελ που θα μπορούσε να λειτουργήσει στο κενό. Τα διαμάντια μπορούσαν στη συνέχεια να εξαχθούν από το τζελ και να καθαριστούν για εξέταση.
Ακόμα και με περίπου δέκα τρισεκατομμύρια διαμάντια που παράγονταν ανά βολή λέιζερ, η ομάδα χρειάστηκε περίπου 100 βολές για να συλλέξει μερικές εκατοντάδες μικρογραμμάρια υλικού. Αυτό ήταν αρκετό για να αναγνωρίσει και να χαρακτηρίσει τα σωματίδια χρησιμοποιώντας το ηλεκτρονικό μικροσκόπιο ELMI-MV στο Τμήμα Ζωής, Φωτός και Ύλης του Πανεπιστημίου του Ρόστοκ.
«Αφού εξάγαμε τα νανοδιαμάντια από το υλικό συλλέκτη και τα καθαρίσαμε, μπορέσαμε να τα δούμε για πρώτη φορά απευθείας χρησιμοποιώντας το ELMI-MV. Αυτή ήταν μια ξεχωριστή στιγμή για την οποία εργαζόμασταν εδώ και χρόνια. Με αυτό το όργανο, μπορούμε ακόμη και να διακρίνουμε μεμονωμένα άτομα», λέει ο Ben Heuser του HZDR, ο κύριος συγγραφέας της μελέτης, ο οποίος διεξήγαγε τα πειράματα στο πλαίσιο της διδακτορικής του διατριβής στο Πανεπιστήμιο του Ρόστοκ.
Μικρότερα διαμάντια θα μπορούσαν να επιταχύνουν τις χημικές αντιδράσεις
Σκληρά, σταθερά και ανθεκτικά στη θερμότητα, τα νανοδιαμάντια χρησιμοποιούνται ήδη σε μέσα λείανσης και στίλβωσης. Η παραγωγή μικρότερων, καθαρότερων σωματιδίων με πιο σταθερά μεγέθη θα μπορούσε να επεκτείνει τις εφαρμογές τους στην ιατρική, τα νέα υλικά και την ενεργειακή τεχνολογία. Οι πιθανές χρήσεις περιλαμβάνουν εξαιρετικά ευαίσθητους κβαντικούς αισθητήρες, οι οποίοι εκμεταλλεύονται τα κβαντικά φαινόμενα για να κάνουν μετρήσεις, και ιατρικούς παράγοντες αντίθεσης που κάνουν τα χαρακτηριστικά μέσα στο σώμα πιο εύκολα ορατά στις σαρώσεις.
Τα μικρότερα διαμάντια παρέχουν επίσης μεγαλύτερη συνδυασμένη επιφάνεια για μια δεδομένη ποσότητα υλικού, προσφέροντας περισσότερο χώρο για χημικές αντιδράσεις. Αυτό θα μπορούσε να βελτιώσει την αποτελεσματικότητά τους ως καταλύτες, οι οποίοι επιταχύνουν τις αντιδράσεις, σε διαδικασίες όπως η διάσπαση του CO₂ με το ηλιακό φως. Ξεκινώντας με πλαστικό, διευκολύνεται επίσης η ενσωμάτωση ατόμων άλλων στοιχείων στα διαμάντια, μια διαδικασία που ονομάζεται πρόσμιξη. Αυτές οι προσθήκες θα μπορούσαν να προσαρμόσουν τα σωματίδια για συγκεκριμένες εργασίες, συμπεριλαμβανομένης της βελτίωσης των σκιαγραφικών μέσων για ιατρικές εξετάσεις μαγνητικής τομογραφίας.
www.worldenergynews.gr
