Os materiais familiares agirão de maneira diferente nas menores escalas. Notavelmente, os diamantes – normalmente duros e quebradiços – tornam-se estranhamente macios em nanoescala. Depois de anos sem entender bem o porquê, uma equipe de físicos finalmente conseguiu decodificar esse comportamento.
Usando um microscópio eletrônico personalizado, os pesquisadores descobriram que pequenos diamantes tinham uma ligação química relativamente fraca entre a camada superficial e o núcleo. Colocar nanodiamantes sob pressão concentra a tensão em uma região intermediária entre a superfície do diamante e o núcleo. Como resultado, o minúsculo diamante não fratura, mas reage como um material flexível, “permitindo uma elasticidade que é quase impossível no diamante a granel”, relataram os pesquisadores em um estudo recente. Revisão Física X artigo sobre as descobertas.
“Este mecanismo oculto pode desempenhar um papel na elasticidade de materiais frágeis e sugerir que o arquétipo do diamante de rigidez pode ter suas propriedades mecânicas ajustadas em nanoescala”, observou a equipe, liderada por pesquisadores da Universidade de Zengzhou e da Academia de Ciências de Henan, na China, no estudo.
O ponto elástico
O principal mecanismo por trás dessa elasticidade é a razão entre o número de átomos na camada superficial de um diamante e no núcleo do diamante. Essa proporção tende a ser muito maior nos nanodiamantes, enquanto os diamantes maiores têm uma proporção menor entre a superfície e o núcleo. Essa relação determina como os diamantes agem sob pressão, disse Chongxin Shan, autor sênior do estudo e cientista de materiais da Universidade de Zengzhou. Novo Cientista.
Nos nanodiamantes, a maior proporção superfície-núcleo resulta em ligações fracas entre os átomos da superfície e o núcleo interno nas chamadas regiões interfaciais. Esta área mais fraca desempenha um “papel decisivo” nas propriedades elásticas dos nanodiamantes, explicou o artigo. Sujeita à pressão, esta zona interfacial serve literalmente como espaço de manobra para o diamante, absorvendo o choque em vez dos átomos da superfície e do núcleo.
Verificando novamente
Para o estudo, os pesquisadores desenvolveram experimentos para testar cerca de 100 diamantes diferentes dentro de vácuos isolados. Escalas menores significavam maior risco de contaminantes, então cada diamante foi cozido a 100 graus Celsius (212 graus Fahrenheit) antes do experimento. Em cada sessão, nanodiamantes individuais foram travados entre dois penetradores de diamante e conectados a sensores que mediam o quão mole o diamante poderia ficar sem fraturar.
Curiosamente, a equipe confirmou que o tamanho realmente importava para a elasticidade de um nanodiamante. Por exemplo, um diamante de 13 nanômetros tinha uma rigidez semelhante à encontrada em joias comuns, enquanto um diamante menor de 4 nanômetros era cerca de 30% mais elástico. Usando suas observações, os pesquisadores desenvolveram um modelo matemático adequado para avaliar a elasticidade do diamante em nanoescalas.
O melhor amigo de um cientista
Para os cientistas, os diamantes são populares menos por seu visual brilhante, mas mais por sua versatilidade. Para listar alguns exemplos, as cápsulas que armazenam combustível de hidrogênio em reatores de fusão são feitas de diamante, o que significa que pequenos defeitos no diamante podem causar ou interromper reações de fusão. Os físicos também estão considerando seriamente os diamantes como pequenas unidades de armazenamento de dados em dispositivos quânticos. Em aplicações menos futurísticas, os diamantes já são componentes principais de principais processos de fabricação.
Esta ideia claramente não passou despercebida aos investigadores, que concluíram que as suas descobertas iluminam “botões práticos para dispositivos em nanoescala, [such as] ressonadores nanomecânicos, elementos fonônicos e sensores quânticos baseados em diamante.” Supondo que o estudo mais recente seja confirmado, isso pode significar que os pesquisadores agora têm a capacidade de projetar livremente componentes mais versáteis e flexíveis em tecnologia sensível.
