Ερευνητές του HZDR μετατρέπουν κοινό πλαστικό σε νανοδιαμάντια υψηλής καθαρότητας

Σύνοψη

• Επιστήμονες από το ερευνητικό κέντρο HZDR και το Πανεπιστήμιο του Rostock ανέπτυξαν μια μέθοδο μετατροπής απλού πλαστικού PET σε νανοδιαμάντια χρησιμοποιώντας κρουστικά κύματα λέιζερ.
• Η τεχνική προσομοιώνει τις ακραίες πιέσεις και θερμοκρασίες που επικρατούν στο εσωτερικό των παγωμένων πλανητών, όπως ο Ποσειδώνας και ο Ουρανός.
• Τα παραγόμενα νανοσωματίδια άνθρακα διακρίνονται για την εξαιρετική τους καθαρότητα και τη στενή κατανομή μεγέθους, ξεπερνώντας τα ελαττώματα των παραδοσιακών μεθόδων σύνθεσης μέσω εκρήξεων.
• Η ικανότητα ακριβούς ντόπινγκ ανοίγει άμεσα νέους δρόμους για προηγμένες εφαρμογές στην κατασκευή κβαντικών αισθητήρων, ιατρικών σκιαγραφικών παραγόντων και βιομηχανικών καταλυτών.

Ερευνητές από το ερευνητικό κέντρο Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) και το Πανεπιστήμιο του Rostock ανακάλυψαν έναν καινοτόμο τρόπο για τη μετατροπή του απλού πλαστικού σε εξαιρετικά μικρά διαμάντια μέσω της χρήσης παλμών λέιζερ υψηλής ισχύος. 

Η ερευνητική ομάδα κατάφερε να προσομοιώσει με απόλυτη επιτυχία τις ακραίες συνθήκες πίεσης και θερμοκρασίας που επικρατούν στο εσωτερικό των απομακρυσμένων πλανητών του ηλιακού μας συστήματος, αποδεικνύοντας πρακτικά ότι η σύνθεση πολύτιμων νανοϋλικών μπορεί να επιτευχθεί με ελεγχόμενο τρόπο μέσα στο εργαστήριο. 

Η περίπλοκη διαδικασία ανοίγει άμεσα τον δρόμο για τη μαζική παραγωγή νανοδιαμαντιών που διαθέτουν πρωτοφανή επίπεδα καθαρότητας και αυστηρή κατανομή μεγέθους, χαρακτηριστικά τα οποία κρίνονται απολύτως απαραίτητα για την ανάπτυξη νέων τεχνολογιών στην ιατρική και την κβαντική φυσική.

Η αρχική έμπνευση για τον σχεδιασμό του πειράματος πηγάζει από τον τομέα της αστρονομίας και τη διαρκή προσπάθεια κατανόησης των διεργασιών που λαμβάνουν χώρα στους παγωμένους πλανήτες, όπως είναι ο Ποσειδώνας και ο Ουρανός. Στο εσωτερικό αυτών των γιγάντιων ουράνιων σωμάτων, τεράστιες ποσότητες υδρογονανθράκων συμπιέζονται ακατάπαυστα υπό εξαιρετικά υψηλές πιέσεις και θερμοκρασίες που αγγίζουν αρκετούς χιλιάδες βαθμούς Κελσίου, προκαλώντας τον άμεσο διαχωρισμό του άνθρακα από το υδρογόνο και τον μετέπειτα σχηματισμό κρυστάλλων διαμαντιού που κυριολεκτικά βρέχουν προς τον πυρήνα του πλανήτη. 

Προκειμένου να αναδημιουργήσουν αυτού του είδους τη βίαιη γεωλογική διεργασία στο εργαστήριο, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν ισχυρά λέιζερ τα οποία χτύπησαν ακαριαία μια εξαιρετικά λεπτή μεμβράνη από πολυτερεφθαλικό αιθυλένιο, ευρύτερα γνωστό ως πλαστικό PET, το οποίο χρησιμοποιείται καθημερινά στην κατασκευή απλών μπουκαλιών. Το πλαστικό PET αποτελεί το ιδανικό υλικό εκκίνησης για τέτοιου είδους αναλύσεις καθώς περιέχει την κατάλληλη αναλογία άνθρακα, υδρογόνου και οξυγόνου που αντιγράφει πιστά τη χημική σύσταση των πλανητών από πάγο.

Για την άρτια εκτέλεση του απαιτητικού πειράματος, η διεθνής επιστημονική ομάδα αξιοποίησε τις υπερσύγχρονες εγκαταστάσεις Extreme Light Infrastructure (ELI) που βρίσκονται νότια της Πράγας. Η εγκατάσταση ELI Beamlines διαθέτει συστήματα λέιζερ ικανά να παράγουν παλμούς φωτός με εξαιρετικά υψηλό ρυθμό επανάληψης και ασύλληπτη ενέργεια, επιτρέποντας στους επιστήμονες να βομβαρδίζουν την πλαστική μεμβράνη πάχους μόλις 100 μικρομέτρων τρεις φορές ανά λεπτό. Η πρόσκρουση της συγκεντρωμένης δέσμης φωτός πάνω στο υλικό δημιουργεί αυτομάτως ένα ωστικό κύμα που ταξιδεύει αστραπιαία μέσα στο πλαστικό, αυξάνοντας ακαριαία την πίεση σε επίπεδα εκατομμύρια φορές υψηλότερα από την ατμοσφαιρική πίεση της Γης και προκαλώντας την άμεση κρυστάλλωση του διαθέσιμου άνθρακα σε δομές νανοδιαμαντιών. Η ταχύτητα με την οποία ολοκληρώνεται η χημική μετατροπή εξέπληξε ευχάριστα τους ερευνητές, καθώς τα διαμάντια σχηματίζονται μέσα σε ελάχιστα κλάσματα του νανοδευτερολέπτου, αποδεικνύοντας έμπρακτα ότι η μέθοδος της συμπίεσης μέσω λέιζερ διαθέτει τεράστιες δυνατότητες ως μια κλιμακούμενη βιομηχανική διαδικασία.

Ένα από τα σημαντικότερα τεχνικά εμπόδια που κλήθηκαν να ξεπεράσουν οι μηχανικοί αφορούσε την ασφαλή περισυλλογή των νεοσχηματισμένων διαμαντιών, τα οποία εκτοξεύονται βίαια από την πλαστική μεμβράνη σαν μικροσκοπικά βλήματα πιάνοντας ταχύτητες που ξεπερνούν τα 35.000 χιλιόμετρα την ώρα. Η προσπάθεια επιβράδυνσης και ασφαλούς συλλογής των ευαίσθητων σωματιδίων χωρίς να προκληθεί μηχανική καταστροφή στην κρυσταλλική τους δομή απαιτούσε την ανάπτυξη μιας εξειδικευμένης τεχνικής παγίδευσης. Η λύση τελικά βρέθηκε στη χρήση ενός υδατοδιαλυτού ιοντικού τζελ ικανού να λειτουργεί αποτελεσματικά σε συνθήκες απόλυτου κενού, το οποίο λειτούργησε άριστα ως μαξιλάρι απορρόφησης της τεράστιας κινητικής ενέργειας των σωματιδίων. Μετά την ολοκλήρωση των βολών λέιζερ, το ιοντικό τζελ συλλέγεται προσεκτικά και διαλύεται σε υγρό περιβάλλον, επιτρέποντας τον ακριβή διαχωρισμό και τον ενδελεχή καθαρισμό των νανοδιαμαντιών ώστε να μελετηθούν διεξοδικά με τη βοήθεια ηλεκτρονικών μικροσκοπίων και αναλύσεων περίθλασης ακτίνων Χ.

Η παραδοσιακή μέθοδος μαζικής βιομηχανικής παραγωγής νανοδιαμαντιών βασίζεται κατά κύριο λόγο στην ελεγχόμενη πυροδότηση εκρηκτικών υλών, μια πρακτική η οποία αναπόφευκτα δημιουργεί σωματίδια με μεγάλες αποκλίσεις στο τελικό μέγεθος και αρκετές δομικές προσμείξεις, καθιστώντας τα πρακτικά λιγότερο αποδοτικά για εξειδικευμένες εφαρμογές υψηλής τεχνολογίας.Αντίθετα, η καινοτόμα διαδικασία παραγωγής μέσω συμπίεσης με λέιζερ επιτρέπει τον απόλυτο έλεγχο των συνθηκών κρυστάλλωσης, οδηγώντας στη δημιουργία καθαρών σωματιδίων με εξαιρετικά στενή κατανομή μεγέθους. Η δυνατότητα μικρομετρικής ρύθμισης της διαδικασίας στο επίπεδο του ατόμου προσφέρει επίσης ένα κρίσιμο πλεονέκτημα, καθώς διευκολύνει την ομαλή ενσωμάτωση ξένων ατόμων μέσα στο κρυσταλλικό πλέγμα του διαμαντιού, μια διαδικασία ευρέως γνωστή στην επιστήμη των υλικών ως ντόπινγκ. Ο σκόπιμος εμπλουτισμός των νανοδιαμαντιών με άτομα όπως το άζωτο δημιουργεί ειδικά ενεργειακά κέντρα που εκπέμπουν μεμονωμένα φωτόνια φωτός, καθιστώντας τα εμπλουτισμένα σωματίδια αναντικατάστατα εξαρτήματα για την κατασκευή ευαίσθητων κβαντικών αισθητήρων που μπορούν να καταγράφουν μαγνητικά πεδία με πρωτοφανή ακρίβεια.

Πέρα από τις εντυπωσιακές εφαρμογές στον τομέα της κβαντικής φυσικής, τα υψηλής καθαρότητας νανοδιαμάντια αναμένεται να επιφέρουν σημαντικές αναβαθμίσεις στην ιατρική διάγνωση και τη χημική βιομηχανία συνολικά. Στον κρίσιμο τομέα της υγείας, τα βιοσυμβατά νανοσωματίδια άνθρακα μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως προηγμένοι σκιαγραφικοί παράγοντες στις εξετάσεις μαγνητικής τομογραφίας, βελτιώνοντας δραματικά την οπτική αντίθεση των εικόνων και βοηθώντας καταλυτικά στον ακριβή εντοπισμό ύπουλων ασθενειών σε πολύ πρώιμα στάδια χωρίς την έντονη τοξικότητα που συχνά συνοδεύει τις παραδοσιακές χημικές ενώσεις. Παράλληλα, οι εξαιρετικά μικρές διαστάσεις των διαμαντιών εξασφαλίζουν τεράστια επιφάνεια δράσης σε σχέση με τον φυσικό τους όγκο, χαρακτηριστικό που τα καθιστά ιδανικά για μαζική χρήση ως καταλύτες σε απαιτητικές χημικές αντιδράσεις. Η ενσωμάτωση τους σε σύνθετα συστήματα παραγωγής ενέργειας και μετατροπής χημικών ουσιών μπορεί να επιταχύνει θεαματικά τον ρυθμό των αντιδράσεων, μειώνοντας δραστικά την κατανάλωση ενέργειας και προωθώντας την ανάπτυξη καθαρότερων και περιβαλλοντικά πιο βιώσιμων βιομηχανικών πρακτικών σε παγκόσμια κλίμακα.

Η ερευνητική ομάδα σχεδιάζει ήδη να μεταφέρει τα επόμενα στάδια των δοκιμών στο European XFEL στο Αμβούργο, το οποίο αποτελεί το ισχυρότερο και πιο προηγμένο λέιζερ ακτίνων Χ στον κόσμο, προκειμένου να μελετήσει σε πραγματικό χρόνο και με πρωτοφανή ανάλυση τα αρχικά στάδια σχηματισμού του κρυσταλλικού πλέγματος. Η λεπτομερής παρατήρηση της διαδικασίας κρυστάλλωσης θα επιτρέψει τη μέγιστη δυνατή βελτιστοποίηση των λειτουργικών παραμέτρων του λέιζερ, αυξάνοντας κατακόρυφα την απόδοση της μετατροπής του πλαστικού σε πολύτιμα νανοδιαμάντια και εδραιώνοντας τη νέα μέθοδο ως τον απόλυτα κυρίαρχο τρόπο παραγωγής νανοϋλικών. 

Η ομαλή μετάβαση από τα περίπλοκα πειράματα της αστροφυσικής στην πρακτική εμπορική εφαρμογή καταδεικνύει περίτρανα την τεράστια αξία της βασικής έρευνας, η οποία καταφέρνει συχνά να γεννήσει εντελώς απρόσμενες πρακτικές λύσεις σε δύσκολα τεχνολογικά προβλήματα αποκλειστικά μέσω της εις βάθος κατανόησης των πιο ακραίων φυσικών φαινομένων του Σύμπαντος.

Πηγή – Techgear

ΔΙΑΦΗΜΙΣΗ

BUY & SELL IN CYPRUSwww.buyme.cy