Estrutura experimental usada no ELI Beamlines, na República Tcheca, para produzir nanodiamantes a partir de plástico submetido a pulsos de laser. (Foto: ELI Beamlines)
Um pedaço de plástico submetido a condições extremas por apenas alguns bilionésimos de segundo pode terminar o processo como diamante.
Foi o que pesquisadores na Alemanha demonstraram que pulsos de laser de alta energia conseguem comprimir PET, o mesmo tipo de polímero usado em muitas garrafas e embalagens, e produzir nanodiamantes ultrapequenos, com diâmetro médio de aproximadamente 3 nanômetros.
O mais importante desta vez não foi apenas observar que os diamantes se formavam. A equipe conseguiu recuperá-los depois que o material voltou às condições normais de pressão e temperatura, algo fundamental para transformar um fenômeno estudado inicialmente em física planetária em uma possível técnica de fabricação de nanomateriais.
O estudo, conduzido por pesquisadores do Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), da Universidade de Rostock e de outras instituições, foi publicado na revista Diamond and Related Materials.
A técnica não nasceu originalmente de uma tentativa de fabricar diamantes. Pesquisadores utilizavam lasers de alta potência para recriar em laboratório condições semelhantes às existentes no interior de gigantes gelados como Urano e Netuno.
Nessas regiões planetárias, a matéria pode ser submetida simultaneamente a pressões enormes e temperaturas de milhares de graus. Modelos sugerem que, em determinadas condições, o carbono pode se separar de outros elementos e formar diamantes.
Experimentos anteriores já haviam mostrado que algo semelhante acontecia quando o PET era comprimido por choques produzidos por laser.
O plástico contém carbono, hidrogênio e oxigênio, uma combinação particularmente interessante para reproduzir parte da química prevista no interior desses planetas. Pesquisas anteriores detectaram a formação de diamantes durante a compressão, mas havia uma questão prática ainda não resolvida: saber se aquelas partículas sobreviveriam depois que a pressão extrema desaparecesse.
O novo experimento mostrou que sim.
Os testes foram realizados no Extreme Light Infrastructure (ELI Beamlines), instalação de pesquisa localizada ao sul de Praga, na República Tcheca. Os cientistas utilizaram filmes de PET com apenas 100 micrômetros de espessura. Para ter uma ideia visual, um fio de cabelo humano tem uma espessura média de cerca de 50 a 100 micrômetros.
Um laser de alta potência dispara pulsos com duração de nanossegundos contra o material. A energia cria uma onda de choque que atravessa o plástico e o comprime violentamente. Durante o processo, o material chega a condições próximas de 100 gigapascals de pressão e 4.000 kelvins de temperatura.
Para ter uma ideia da escala, 100 gigapascals correspondem a aproximadamente um milhão de vezes a pressão atmosférica ao nível do mar.
É nesse ambiente extremo que ocorre a transformação. Os átomos presentes no plástico se reorganizam e parte do carbono forma a estrutura cristalina característica do diamante. Mas tudo acontece extremamente rápido.
Quando os pesquisadores recuperaram e analisaram o material, encontraram partículas com tamanho surpreendentemente uniforme. Os nanodiamantes apresentavam em média cerca de 3 nanômetros de diâmetro, com uma variação inferior a 1 nanômetro.
Um nanômetro corresponde a um milionésimo de milímetro. Segundo os pesquisadores, uma única dessas partículas contém aproximadamente 3 mil átomos de carbono.
Produzir diamantes tão pequenos e, ao mesmo tempo, manter uma distribuição de tamanhos estreita é justamente um dos desafios das técnicas convencionais.
Nanodiamantes podem ser produzidos, por exemplo, por processos envolvendo detonações de explosivos. Esses métodos, porém, normalmente geram partículas de diferentes tamanhos e materiais que precisam passar por etapas posteriores de purificação e separação.
O método com laser oferece a possibilidade de controlar melhor as condições em que os cristais são formados.
Formar os diamantes não foi a única dificuldade. Depois que a onda de choque atravessa o plástico e chega ao outro lado da amostra, ela encontra o vácuo.
Nesse momento, as partículas recém-formadas são lançadas para fora do material em velocidades superiores a 10 quilômetros por segundo, algo comparável às velocidades envolvidas em impactos de meteoritos. Simplesmente atingir uma superfície rígida nessa velocidade poderia destruir os minúsculos cristais.
Os pesquisadores precisavam de uma maneira de desacelerá-los sem perder as partículas. A solução foi desenvolver um coletor contendo um gel iônico solúvel em água e compatível com o vácuo. O material funciona como uma espécie de amortecedor extremamente macio.
Os nanodiamantes penetram no gel e ficam presos. Posteriormente, os cientistas conseguem dissolver o material coletor, liberar os diamantes e purificá-los para análise.
Foi essa etapa que permitiu demonstrar definitivamente que os cristais formados sob pressão extrema continuavam existindo depois de retornar às condições ambientais.
A quantidade de partículas produzidas em cada disparo parece gigantesca. Segundo a equipe, cada pulso pode lançar cerca de 10 trilhões de nanodiamantes no coletor. Mas existe uma diferença enorme entre número de partículas e massa.
Como cada diamante possui apenas alguns nanômetros, trilhões deles ainda representam uma quantidade muito pequena de material.
Foram necessários aproximadamente 100 disparos para obter algumas centenas de microgramas de nanodiamantes, quantidade suficiente para que os pesquisadores pudessem separá-los e observá-los diretamente por microscopia eletrônica.
Isso mostra também por que a técnica ainda está longe de transformar garrafas plásticas em grandes pedras preciosas. O produto não são diamantes para joias. São partículas microscópicas projetadas para aplicações tecnológicas bastante diferentes.
Quando o diamante é reduzido à escala nanométrica, algumas de suas propriedades tornam-se úteis em áreas que vão muito além da joalheria. Nanodiamantes combinam alta dureza, estabilidade química e resistência térmica com uma enorme área superficial em relação ao seu tamanho.
Eles são estudados para aplicações em medicina, sensores, materiais avançados, catálise e tecnologias quânticas. Uma possibilidade mencionada pelos pesquisadores envolve a fabricação de sensores quânticos extremamente sensíveis.
Diamantes também podem receber pequenas quantidades de outros elementos durante sua formação, criando defeitos controlados na estrutura cristalina. Alguns desses defeitos respondem a campos magnéticos e outras propriedades do ambiente, permitindo utilizar as partículas como sensores.
Outra aplicação possível está na medicina, incluindo pesquisas com agentes de contraste e sistemas capazes de acompanhar processos biológicos em escalas muito pequenas.
Na catálise, partículas menores oferecem ainda uma vantagem simples: quanto menores elas são, maior é a superfície total disponível para participar de reações químicas.
Os pesquisadores apontam, por exemplo, para aplicações envolvendo reações destinadas a converter dióxido de carbono utilizando energia solar.
Como bilhões de partículas pequenas apresentam uma superfície combinada enorme, elas podem atuar como materiais catalíticos eficientes.
Há ainda uma característica interessante do processo com PET: durante a fabricação, seria possível introduzir outros átomos no material inicial para modificar as propriedades do nanodiamante final.
Isso permitiria produzir diferentes tipos de partículas ajustadas para funções específicas. Ainda assim, essas aplicações são perspectivas futuras. O estudo atual demonstrou principalmente que nanodiamantes ultrapequenos podem ser formados, ejetados, coletados e recuperados depois da compressão por laser.
A associação entre plástico e diamante pode sugerir uma possível solução direta para resíduos plásticos, mas essa conclusão seria prematura.
Os experimentos foram realizados com filmes finos e controlados de PET em uma instalação de laser de alta potência, não com garrafas descartadas entrando em uma máquina industrial.
A quantidade de material recuperada também ainda é muito pequena.
O que os pesquisadores defendem é que o método possui características que podem torná-lo, no futuro, uma rota mais limpa, controlável e potencialmente escalável para fabricar determinados tipos de nanodiamantes.
Será necessário melhorar a eficiência e aumentar a taxa de produção para descobrir se essa possibilidade poderá competir economicamente com técnicas já existentes.
Depois de conseguir recuperar os nanodiamantes, a equipe pretende usar pressões ainda maiores para tentar criar uma forma de carbono que, até agora, permanece essencialmente no domínio das previsões teóricas. Ela é conhecida como BC8.
Segundo os pesquisadores, essa estrutura seria mais densa que o diamante e poderia apresentar dureza semelhante, mas ser menos quebradiça.
As condições necessárias para produzir BC8 não existem naturalmente na superfície terrestre, motivo pelo qual lasers capazes de criar pressões extremas são vistos como uma possível maneira de tentar fabricá-lo.
A equipe planeja realizar experimentos específicos para isso.
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