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Transición de grafito a diamante inducida por absorción fotoeléctrica de fotones ultravioleta  
Transición de grafito a diamante inducida por absorción fotoeléctrica de fotones ultravioleta

Grafito vs diamante

Los dos alótropos (distintas estructuras atómicas para un mismo elemento) más comunes de carbono sólido son el grafito y el diamante. En el grafito, los átomos de carbono están dispuestos en láminas, débilmente unidas por fuerzas de van der Waals con una separación entre capas de más o menos 3,4 Å …. dentro de cada hoja, los átomos están dispuestos en una red en forma de panal, cada átomo unido a los tres vecinos a través de fuertes enlaces covalentes sp2.

En el diamante, los átomos de carbono están unidos a través de enlaces sp3 en una red cúbica. La investigación del meteorito Cañón del Diablo descubrió otro alótropo sp3, la lonsdaleíta, donde los átomos de carbono están enlazados en una estructura cristalina hexagonal. La lonsdaleíta es el menos común de los dos politipos de diamantes y no se detecta libre en la naturaleza. En muestras meteoríticas, se entremezcla dentro de la red de diamante mostrando características consistentes con fallas en la red de diamantes.

La transición de fase de grafito a diamante ha sido ampliamente estudiada por motivos obvios: el diamante es un material muy deseable con muchas aplicaciones, desde abrasivos y revestimientos hasta productos electrónicos, y el carbono es un material abundante en la naturaleza.

La transición es impulsada por el aumento de la presión y la temperatura de cualquier tipo de muestra de grafito ya sea por choques impulsados por láser o directamente por la detonación de explosivos que contienen carbono.
Experimentos recientes han descrito la dinámica de este proceso; ocurre en escalas de tiempo de nanosegundos a presiones de trabajo que dependen del tipo específico de grafito.
En la última década, un nuevo conjunto de experimentos ha demostrado que la transición de sp2 a sp3 también puede lograrse excitando y calentando electrones en orbitales Π. Los fotones ópticos (1-4 eV) de una fuente de láser de femtosegundos se absorben directamente en transiciones Π-Π* creando una primera población de electrones calientes que se termalizan en menos de 25 fs, alcanzando temperaturas de electrones que pueden superar los 5500 K. Esta población electrónica es lo suficientemente caliente como para poblar la banda entre capas (energía 4,4 eV por encima del vacío) desde donde los electrones pueden sufrir emisiones termoiónicas. La transición de fase de grafito sp2 a diamante sp3 parece estar causada por inestabilidades de la red grafítica inducida por la redistribución de electrones desde las bandas Π, que están unidos por enlaces, hasta la banda intercapas.

En este trabajo, se irradiaron varias muestras de grafito en una cámara de vacío para poder mostrar que los nanodiamantes se forman en la superficie del material después de la irradiación de muestras grafíticas por fotones UV con energías superiores a 4,4 eV. Este hallazgo proporciona un método nuevo y fácil de implantar para producir nanodiamantes. También propone una reevaluación de los procesos para formar nano-diamantes en el espacio.

El trabajo es una colaboración entre el Instituto de Óptica, la U.D. Astronomía y Geodesia (Departamento de Física de la Tierra y Astrofísica) de la Universidad Complutense de Madrid, el Joint Center for Ultraviolet Astronomy de la Universidad Complutense de Madrid, el Department of Physics and Astronomy de la McMaster University, el Origins Institute de la McMaster University, la Universidad San Pablo-CEU, el Instituto IMDEA Nanociencia-ICTS Centro Nacional de Microscopía Electrónica y el Centro Nacional de Biotecnología de Madrid

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