Proprio quando pensavamo di sapere tutto sul carbonio, un gruppo di ricercatori della North Carolina State University ha scoperto una nuova forma del carbonio allo stato solido, chiamata Q-carbon (carbonio Q). Gli scienziati hanno dimostrato che è possibile creare diamanti sintetici a basso costo a temperatura ambiente e pressione atmosferica normale.
Le forme note del Carbonio
Attualmente le forme conosciute del carbonio sono due: grafite e diamante. Lo studio dei ricercatori americani rivela una forma completamente nuova e super rara del carbonio.
Caratteristiche del nuovo materiale
«Siamo riusciti a realizzare la fase terza del carbonio allo stato solido” scrive il professore e ricercatore Jay Narayan della North Carolina State University che aggiunge, «In natura tale materiale potrebbe essere presente solo nel nucleo di alcuni pianeti.»
Oltre a rappresentare una nuova fase della materia, il carbonio-Q possiede anche alcune caratteristiche piuttosto strane: ad esempio, è più duro del diamante ed emette luce se viene esposto a bassi livelli di energia. Inoltre il materiale è ferromagnetico, una proprietà che non appartiene né al diamante né alla grafite. «Non pensavamo fosse possibile.
La robustezza e le caratteristiche termodinamiche (la disponibilità al rilascio degli elettroni) del carbonio-Q rendono tale materiale molto promettente per lo sviluppo di nuove tecnologie per la realizzazione di display elettronici.» prosegue Narayan.
Benefici in termini di costi e processi produttivi
I ricercatori fanno notare che il carbonio-Q può ridurre notevolmente sia i costi di produzione sia gli sforzi necessari per la realizzazione di diamanti sintetici, utilizzati dalle industrie ad alta tecnologia nei settori più vari (ad es. i dispositivi e gli strumenti per la medicina). Attualmente per la produzione dei diamanti sintetici servono un’incredibile quantità di calore e di pressione, tuttavia la nuova tecnica funziona a temperatura e pressione ambientali.
Come viene prodotto il carbonio-Q?
L’elemento base è un substrato (ad esempio il vetro o un polimero plastico) che servirà da supporto. Tale substrato viene ricoperto da uno strato di carbonio amorfo (il carbonio che non ha una struttura cristallina ben definita).
Successivamente il carbonio amorfo viene colpito da un impulso laser breve, il calore generato aumenta esponenzialmente. La temperatura raggiunge un valore di circa 3.727 °C e subito dopo viene abbassata, durante questo periodo di raffreddamento si viene a formare una sottile pellicola di carbonio-Q.
Tuttavia, modificando il substrato e la durata dell’impulso laser i ricercatori possono regolare la velocità di raffreddamento del materiale, questa caratteristica permette di creare strutture di diamante attraverso il carbonio-Q.
Nanoaghi, microaghi e nanopunti
«Possiamo creare nanoaghi o microaghi, nanopunti o pellicole di diamante di grande superficie. Le applicazioni possono andare dalla somministrazione dei farmaci ai processi industriali per la creazione di interruttori ad alta temperatura ed elettronica di potenza» sostiene Narayan.
I nanoaghi e i microaghi sono minuscoli aghi che è possibile utilizzare in tecniche mediche di alta precisione. I nanopunti invece sono piccole strutture che creano minuscoli campi magnetici o elettrici e possono essere utilizzati per memorizzare enormi quantità di informazioni e di energia, nonché creare dispositivi che emettono luce.
«Questi oggetti di diamante hanno una struttura cristallina singola che li rende più resistenti dei materiali policristallini. Tutto il processo viene eseguito a temperatura ambiente e pressione atmosferica ambientali, di fatto stiamo usando un laser come quelli usati per la chirurgia refrattiva laser. Quindi oltre allo sviluppo di nuove applicazioni abbiamo il vantaggio dovuto al costo relativamente basso del processo stesso» scrive Narayan.
La capacità di produrre rapidamente, facilmente e a buon mercato i diamanti sarà un vantaggio enorme per tutta una serie di industrie, non solo a causa del risparmio economico ma anche perché questa nuova tecnica richiede delle apparecchiature meno complesse rispetto a quelle attualmente in uso.
«Possiamo realizzare delle pellicole di carbonio-Q tuttavia, siamo ancora nelle fasi iniziali: stiamo studiando le proprietà e i modi per modificare il materiale» scrive Narayan che aggiunge, «Sappiamo molto dei diamanti, così siamo in grado di realizzare nanopunti di diamante invece, non siamo ancora in grado di realizzare i nanopunti di carbonio-Q o i microaghi: ci stiamo lavorando».
L’articolo “Direct conversion of amorphous carbon into diamond at ambient pressures and temperatures in air” spiega dettagliamente la scoperta ed è stato pubblicato sulla rivista Journal of Applied Physics e su APL Materials. La North Carolina State University è in attesa di un brevetto sul carbonio-Q e la relativa tecnica di creazione.