En un laboratorio de Corea del Sur, un destello con los colores del arco iris llamó la atención de un estudiante de posgrado. Este destello es el producto de algo extraordinario: diamantes, que no nacen de las presiones aplastantes de las profundidades de la Tierra, sino de un depósito de metal líquido a presión atmosférica. Estos nuevos diamantes sintéticos podrían cambiar la forma en que fabricamos uno de los materiales más duros y codiciados del mundo.
Rompiendo el molde de los diamantes
Los diamantes naturales se forjan en el manto superior de la Tierra, donde las temperaturas se elevan a 900-1400°C y las presiones alcanzan los 5-6 gigapascales, miles de veces más que la presión a nivel del mar. Desde la década de 1950, los científicos han replicado estas condiciones en el laboratorio utilizando métodos de alta presión y alta temperatura (HPHT) para crear diamantes sintéticos. Pero ahora, un equipo dirigido por Rodney Ruoff en el Instituto de Ciencias Básicas de Ulsan, Corea del Sur, ha roto este paradigma, cultivando diamantes a solo 1 atmósfera de presión (presión al nivel del mar) y 1.025°C utilizando una aleación de metal líquido.
El camino hacia este avance comenzó con un estudio de 2017 que mostró que el galio líquido podría catalizar la producción de grafeno a partir de metano a bajas temperaturas dentro de un sistema de vacío construido a medida. Intrigado, el equipo de Ruoff se preguntó si el galio también podría facilitar el crecimiento de diamantes. Sus experimentos inicialmente implicaron sembrar diamantes en galio dopado con silicio, pero los resultados fueron inconsistentes.
Luego, durante un experimento, el estudiante de posgrado Yan Gong notó que se formaban pequeñas pirámides en el borde de un cristal de diamante. “Eso nos llevó a comprender que el silicio era de alguna manera importante”, recuerda Ruoff. Pero agregar más silicio sólo produjo carburo de silicio, no diamantes.
Sin desanimarse, los científicos cambiaron su enfoque y experimentaron con una aleación de metal líquido compuesta de galio, hierro, níquel y silicio. Después de cientos de ajustes de parámetros, encontraron oro, o mejor dicho, diamante. Gong recuerda el momento vívidamente: “Un día, noté un ‘patrón de arco iris’ que se extendía sobre unos pocos milímetros en la superficie inferior del metal líquido solidificado. ¡Descubrimos que los colores del arco iris se debían a los diamantes!”
La ciencia detrás del brillo
El método de metal líquido del equipo implica exponer la aleación a una mezcla de metano e hidrógeno a 1.025°C. El carbono del metano se difunde en el metal líquido, donde se acumula en una capa subsuperficial delgada y amorfa. Esta capa, rica en carbono y silicio, sirve como lugar de nacimiento para la nucleación del diamante.
“Aproximadamente el 27% de los átomos en la superficie superior de esta región amorfa eran átomos de carbono”, dice el coautor Myeonggi Choe. Las imágenes de alta resolución revelaron que los diamantes se nuclean y crecen en esta capa, fusionándose finalmente para formar una película continua.
El proceso comenzó con la aparición de pequeños cristales de diamante aislados tras tan solo 15 minutos de crecimiento. Con el tiempo, estos cristales se hicieron más grandes y se fusionaron en películas continuas. A los 150 minutos, los investigadores habían producido una película de diamante casi completa, con solo unos pocos huecos restantes.
Los cálculos teóricos sugieren que el silicio estabiliza pequeños grupos de carbono, que actúan como “prenúcleos” para la formación de diamantes. Sin silicio, no crecían diamantes, lo que sugiere que ayuda a catalizar la formación de cristales de diamante.
Implicaciones y preguntas
Las implicaciones pueden ser importantes. Por un lado, podría hacer que la síntesis de diamantes sea más accesible y asequible. Los métodos tradicionales de HPHT requieren equipos costosos y consumen grandes cantidades de energía. El nuevo método, por el contrario, funciona a presión ambiente y temperaturas más bajas, lo que potencialmente reduce los costos y el consumo de energía. Los diamantes tienen una conductividad térmica, dureza y propiedades electrónicas excepcionales. Estas cualidades los hacen ideales para su uso en electrónica de alta potencia, computación cuántica e incluso dispositivos médicos.
Pero quedan muchas preguntas. ¿Por qué funciona esta combinación específica de metales? ¿Qué tan estables son estos diamantes? ¿Se puede perfeccionar el proceso para producir diamantes más grandes y puros? Ruoff es optimista. “Hay muchas vías interesantes por explorar”, afirma.
Los hallazgos aparecieron en la revista Nature.
Fuente: ZME Science.