دانشمندان پلاستیک معمولی را با استفاده از لیزرهای قدرتمند به میلیاردها الماس ریز تبدیل می کنند

الماس های استخراج شده از پلاستیک حاوی حدود 3000 اتم هستند و می توان آنها را با عناصر دیگر برای استفاده در تصویربرداری پزشکی اصلاح کرد.

لیزرهای قدرتمند می‌توانند پلاستیک را به الماس‌های ریز تبدیل کنند، اما بازیابی کریستال‌ها به معنای گرفتن آن‌ها در حالی است که با سرعتی قابل مقایسه با برخورد شهاب‌ها به بیرون پرتاب می‌شوند. محققان هلمهولتز-زنتروم درسدن-روزندورف (HZDR) و دانشگاه روستوک اکنون این الماس ها را دست نخورده جمع آوری کرده اند و نشان می دهند که از بازگشت از فشار و دمای شدید به شرایط عادی جان سالم به در می برند.

قطر ذرات بازیابی شده به طور متوسط سه نانومتر یا سه میلیاردم متر بوده و در هر الماس تقریباً 3000 اتم کربن وجود دارد. تکنیک لیزر ترکیبی از خلوص بالا، اندازه بسیار کوچک و اندازه ذرات نزدیک را ایجاد می کند که روش های معمولی، از جمله انفجار، نمی توانند به آن دست یابند.

الماس ها سریعتر از حد انتظار شکل می گیرند

کار با آزمایش‌هایی آغاز شد که برای شبیه‌سازی شرایط درون سیاراتی مانند نپتون و اورانوس طراحی شدند، جایی که دما به چند هزار درجه سانتی‌گراد می‌رسد و فشارها میلیون‌ها برابر بیشتر از فشار جوی زمین است. پرتاب لیزرهای پرقدرت به پلاستیک ها شرایطی را ایجاد کرد که کربن الماس را تشکیل می داد، اگرچه محققان در ابتدا توانستند کریستال ها را برای مدت کوتاهی تا زمانی که این شرایط شدید ادامه داشت شناسایی کنند.

دومینیک کراوس، مدیر مؤسسه جدید HEDI برای فیزیک چگالی انرژی بالا در HZDR و استاد دانشگاه روستوک، می‌گوید: «ما واقعاً انتظار داشتیم که نانوالماس‌ها در این شرایط شکل بگیرند. اما چیزی که ما را شگفت‌زده کرد این بود که چقدر سریع اتفاق افتاد، که بلافاصله ایده یک کاربرد فنی بالقوه را برانگیخت.

فرود نرم برای الماس های سریع

برای بازیابی ذرات برای بررسی دقیق تر، این تیم در زیرساخت نور شدید (ELI) در جنوب پراگ کار کردند، یک مرکز لیزری که انرژی های پالس بسیار بالا را با نرخ های تکرار بالا ترکیب می کند. در تأسیسات خود، یک لیزر پرقدرت L4n-P3 سه بار در دقیقه روی یک فیلم پلاستیکی PET با ضخامت تنها 100 میکرومتر، حدود 0.004 اینچ شلیک می کند. با اسکن پرتو از طریق فیلم، هر پالس یک موج ضربه ای ایجاد می کند که پلاستیک را فشرده می کند، نانوالماس را تشکیل می دهد و آنها را به یک سیلندر جمع آوری می فرستد.

“وقتی موج فشرده سازی به انتهای نمونه می رسد، ناگهان وارد خلاء می شود و سرعت نانوالماس ها را به سرعت بیش از ده کیلومتر در ثانیه می رساند – که با برخورد شهاب سنگ قابل مقایسه است. برای جلوگیری از نابودی فوری الماس ها در برخورد با سیلندر جمع آوری، باید از یک محیط بسیار نرم جمع آوری کراوس استفاده کنیم.”

برای نرم کردن ذرات با سرعت بیش از 22000 مایل در ساعت، تیم یک ژل یونی محلول در آب را انتخاب کرد که می تواند در خلاء عمل کند. سپس الماس ها را می توان از ژل استخراج و برای مطالعه خالص کرد.

حتی با تولید تقریباً ده تریلیون الماس در هر شات لیزری، این تیم برای جمع آوری چند صد میکروگرم ماده به حدود 100 عکس نیاز داشت. این برای شناسایی و مشخص کردن ذرات با استفاده از میکروسکوپ الکترونی ELMI-MV در بخش حیات، نور و ماده کافی بود.

بن هوسر از HZDR، نویسنده اصلی این مطالعه، که آزمایش‌های دکترا را به عنوان بخشی از تحقیقات دانشگاه خود انجام داد، می‌گوید: «پس از استخراج نانوالماس‌ها از مواد به دام انداختن و خالص‌سازی آن‌ها، برای اولین بار با استفاده از ELMI-MV توانستیم آنها را مستقیماً ببینیم. این لحظه خاصی بود که سال‌ها برای رسیدن به آن تلاش می‌کردیم. با این ابزار حتی می‌توانیم اتم‌های منفرد را جدا کنیم.»

الماس های کوچکتر می توانند واکنش های شیمیایی را تسریع کنند

نانوالماس های سخت، پایدار و مقاوم در برابر حرارت، در حال حاضر در مواد سنگ زنی و پولیش استفاده می شوند. تولید ذرات کوچکتر و تمیزتر با اندازه های ثابت تر می تواند کاربردهای آنها را در پزشکی، مواد جدید و فناوری های انرژی گسترش دهد. کاربردهای بالقوه شامل حسگرهای کوانتومی بسیار حساس است که از اثرات کوانتومی برای اندازه‌گیری استفاده می‌کنند و عوامل کنتراست پزشکی که عملکردهای بدن را در اسکن‌ها آسان‌تر می‌کنند.

الماس های کوچکتر همچنین سطح ترکیبی بیشتری را برای مقدار معینی از مواد فراهم می کنند و فضای بیشتری را برای واکنش های شیمیایی فراهم می کنند. این می تواند کارایی آنها را به عنوان کاتالیزورهایی که واکنش ها را در فرآیندهایی مانند تقسیم CO2 با نور خورشید سرعت می بخشد، بهبود بخشد. شروع با پلاستیک همچنین ترکیب اتم های عناصر دیگر در الماس را آسان تر می کند، فرآیندی که به آن دوپینگ می گویند. این افزودنی‌ها می‌توانند ذرات را برای کارهای خاص، از جمله تقویت عوامل کنتراست برای مطالعات MRI پزشکی، تنظیم کنند.

پالس های لیزر بیشتر، الماس بیشتر

تحقیقات فیوژن منجر به توسعه لیزرهای با انرژی کارآمدتر می شود که قادر به ارسال پالس های قدرتمند در دفعات بیشتر هستند. بکارگیری این پیشرفت‌ها در تولید نانوالماس می‌تواند با اجازه دادن به عکس‌های بیشتر در زمان کمتر، خروجی را افزایش دهد و به طور بالقوه فرآیند را مقیاس‌پذیر و از تولید پاک‌تر و پایدارتر پشتیبانی کند. هدف محققان از طریق آزمایش‌های بیشتر در آزمایشگاه‌های خود در دانشگاه روستوک و در تأسیسات تحقیقاتی در مقیاس بزرگ، رساندن تولید به محدوده میلی‌گرم است، مقداری که با فرآیندهای تولید معمولی قابل مقایسه است.

این تیم همچنین می‌خواهد از فشرده‌سازی لیزری برای ساخت BC8 استفاده کند، شکلی از کربن که تاکنون فقط به صورت تئوری پیش‌بینی شده است. انتظار می رود که چگالی تر از الماس، به طور مشابه سخت و کمتر شکننده باشد. شرایط لازم برای تشکیل آن به طور طبیعی روی زمین وجود ندارد، بنابراین محققان امیدوارند که با اعمال فشار حتی بالاتر با لیزرهای قدرتمند در آزمایش اولیه که برای نوامبر برنامه ریزی شده است، آن را مستقیماً از پلاستیک ایجاد کنند.

مرجع: “بازیابی نانوالماس های فوق کوچک از پلاستیک های فشرده شده با شوک به فشارهای حدود 100 گیگا پاسکال” توسط B. Heuser, P. Böhringer, K. Oldenburg, F.P. کاندامین، جی. فاول، ام.-ال. هربرت، جی.کوهکل، تی. لاشتوویچکا، پی. لوکمن، جی. لوتگرت، پ.ت. می، دی. رانجان، اس. شوماخر، آر ال سینگ، ام. استیونسون، اس. وبر و دی. کراوس، 25 اوت 2026، الماس و مواد مشابه.
DOI: 10.1016/j.diamond.2026.114091

هرگز پیشرفتی را از دست ندهید: به خبرنامه SciTechDaily بپیوندید.
ما را در Google و Google News دنبال کنید.