Descoberta rota para fabricar diamantes flexíveis

Redação do Site Inovação Tecnológica - 04/03/2022

Concepção artística mostrando como a síntese guiada de nanofios de diamante ocorre quando o material de partida é comprimido entre as pontas de dois diamantes, um instrumento conhecido como bigorna de diamante.
[Imagem: Samuel Dunning]

Nanofios de diamante

Um material tão duro e resistente quanto o diamante, mas flexível e moldável quanto um plástico?

O sonho é antigo, mas Samuel Dunning e uma equipe da Instituição Carnegie para Ciência, nos EUA, podem ter aberto o caminho para tornar realidade esses verdadeiros elásticos de diamante.

Dunning desenvolveu uma técnica original que prevê e orienta a criação ordenada de nanofios - ou nanofibras - de carbono, fortes porém flexíveis, superando vários empecilhos identificados anteriormente por outras equipes.

Nanofios são materiais unidimensionais, na escala dos nanômetros, compostos de uma espinha dorsal de um elemento, tipicamente formada através da compressão de pequenas moléculas sob altas pressões. Já foram sintetizadas várias nanofibras de hidrocarbonetos, mas ninguém havia conseguido ainda fabricá-las com precisão e consistência.

Os chamados nanofios de diamante - novamente, há quem prefira nanofibras de diamante - são cadeias ultrafinas de átomos de carbono, criadas comprimindo-se anéis de carbono para formar o mesmo tipo de ligação química que torna o diamante o material natural mais duro do nosso planeta.

No entanto, em vez da estrutura de carbono 3D encontrada em um diamante normal, as bordas desses fios são "tampadas" com ligações carbono-hidrogênio, que tornam toda a estrutura flexível. "Como os nanofios só têm essas ligações em uma direção, eles podem dobrar e flexionar de maneiras que os diamantes normais não podem," explicou Dunning.

A primeira e a última imagens mostram que houve uma mudança de cor permanente entre as amostras após a formação dos fios. As imagens não mostram fios individuais, mas amostras "em massa" de piridazina durante a compressão, cada uma com cerca de 40 micrômetros de espessura e 180 micrômetros de diâmetro.
[Imagem: Samuel Dunning]

Síntese dos nanofios de diamante

Um dos maiores desafios é fazer com que os átomos de carbono reajam de maneira previsível. Em nanofios feitos de benzeno e outros anéis de seis átomos, cada átomo de carbono pode sofrer reações químicas com diferentes vizinhos. Isso leva a muitas reações possíveis competindo umas com as outras e muitas configurações diferentes de nanofios. Essa incerteza é um dos maiores obstáculos que os cientistas enfrentam para sintetizar nanofios com estruturas químicas precisas.

Dunning descobriu que adicionar nitrogênio ao anel, no lugar do carbono, ajuda a guiar a reação por um caminho previsível. Ele escolheu começar com piridazina, um anel de seis átomos composto de quatro carbonos e dois nitrogênios. Os dois nitrogênios diminuem drasticamente o número de possíveis reações ao reduzir os locais onde essas reações podem ocorrer.

Uma simulação de computador ajudou a entender como as moléculas de piridazina se comportavam quando submetidas a alta pressão, permitindo selecionar os níveis ideais de compressão a que o precursor deveria ser submetido. Foi então uma questão de levar o material para uma bigorna de diamante e fazer os experimentos.

"Nossa via de reação produz um nanofio incrivelmente ordenado," contou Dunning. "A capacidade de incorporar outros átomos na espinha dorsal do nanofio, guiar a reação e entender o ambiente químico do nanofio economizará aos pesquisadores um tempo inestimável no desenvolvimento da tecnologia de nanofios".

Testes e utilizações

Agora que essa estratégia de síntese foi descoberta, Dunning planeja identificar e testar os muitos possíveis precursores de carbono capazes de gerar nanofios.

E, claro, testar cada um deles: "Agora que sabemos que podemos fazer esse material, precisamos começar a fazer o bastante para aprender o suficiente para determinar suas propriedades mecânicas, ópticas e eletrônicas."

Os cientistas preveem que as propriedades únicas dos nanofios de diamante terão uma gama de aplicações úteis, desde a criação de tecidos ultrarresistentes até os longamente sonhados elevadores espaciais, para substituir os foguetes.

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