Politereftalan etylenu pod wpływem wysokiego ciśnienia przekształca się w nanodiamenty. Eksperyment otwiera nowe perspektywy dla technicznych zastosowań miniaturowych diamentów.

Poddanie politereftalanu etylenu oddziaływaniu ciśnienia na poziomie 72-125 GPa i temperatury 3500-6000K powoduje wytrącanie się nanodiamentów, jak poinformowali naukowcy z Uniwersytetu w Rostoku w Niemczech i z francuskiej École Polytechnique.

– Przemiana, opublikowana w Science Advances jesienią 2022 roku, była nieco zaskakująca dla samych badaczy. Nikt bowiem nie próbował znaleźć ziemskich zastosowań dla plastiku, ale raczej chciano zrozumieć procesy chemiczne zachodzące na lodowych olbrzymach, takich jak planety Neptun i Uran – powiedział Dominik Kraus, współautor badania i profesor Instytutu Fizyki Uniwersytetu w Rostoku.

Na poziomie elementarnym, planety te składają się głównie z węgla, wodoru i tlenu z odrobiną azotu. Dlatego też po początkowych eksperymentach na polistyrenie o wzorze chemicznym (C8H8)n, użyto politereftalanu etylenu, C10H8O4, który zawiera tlen. To właśnie ten eksperyment wygenerował nanodiamenty.

– Do tej pory do tego typu eksperymentów używaliśmy folii węglowodorowych. Używając tych folii, można było jednak tylko częściowo zasymulować wnętrze planet. Szukając odpowiedniego materiału na folię, grupa trafiła na żywicę, z której produkowane są zwykłe, plastikowe butelki.

Zespół przeprowadził swoje eksperymenty w SLAC National Accelerator Laboratory w Kalifornii, gdzie znajduje się Linac Coherent Light Source, potężny, oparty na akceleratorze laser rentgenowski. Wykorzystali go do analizy tego, co się dzieje, gdy intensywne błyski lasera uderzają w folię PET.

– Efektem dodatkowego działania tlenu było przyspieszenie rozszczepiania węgla i wodoru, a tym samym sprzyjanie tworzeniu się nanodiamentów – powiedział Dominik Kraus, relacjonując wyniki. – Oznaczało to, że atomy węgla mogły łatwiej łączyć się i tworzyć diamenty.

Nowy eksperyment otwiera perspektywy dla technicznych zastosowań miniaturowych diamentów, które już teraz np. wchodzą w skład materiałów ściernych i środków polerskich. W przyszłości mogą być stosowane jako wysoce czułe sensory kwantowe, środki kontrastowe do zastosowań medycznych czy akceleratory reakcji chemicznych, takich jak rozszczepianie dwutlenku węgla.

Prof. Kraus uważa, że nanodiamenty mogą pomóc szczególnie w fotokatalizie dwutlenku węgla, procesie, który wykorzystuje światło do przekształcenia gazu cieplarnianego w wodór lub metan.

– Obecnie wytwarzanie nanodiamentów polega na wzięciu porcji węgla lub diamentu i wysadzeniu ich w powietrze za pomocą materiałów wybuchowych – powiedział współautor badania Benjamin Ofori-Okai. – To tworzy diamenty o różnych rozmiarach i kształtach i jest trudne do kontrolowania. Produkcja laserowa mogłaby zaoferować czystszą i łatwiej kontrolowaną metodę.

Prof. Kraus zwrócił uwagę na szczęśliwy traf, który czasem zdarza się być wynikiem procesu naukowego. Tak, jak miało to miejsce np. przy odkryciu penicyliny. Tym razem badania astrofizyczne zaowocowały potencjalnymi zastosowaniami wyników eksperymentu na Ziemi.

– Nauka nie musi polegać tylko na rozwiązywaniu problemów. Czasami zadawanie pytań z ciekawości może prowadzić do rozwiązań, których nawet nie szukaliśmy – dodał prof. Kraus w rozmowie z Olivią Rosane dla Treehugger.com.