Laserflits maakt van plastic biljoenen piepkleine diamantjes
Duitse natuurkundigen schieten met een krachtige laser op een dun vel van het plastic waar frisdrankflessen van zijn gemaakt. Elke flits levert zo'n 10 biljoen diamantjes op van gemiddeld 3 miljoenste millimeter, bijna allemaal even groot. De volgende stap is er genoeg van maken om mee te werken.
Bij diamant denk je aan sieraden, maar de meeste diamant wordt gebruikt om te slijpen en te polijsten. Hoe kleiner de korrels, hoe meer je ermee kunt. Nanodiamanten zijn de kleinste korrels die er zijn: er passen er ruim 20.000 naast elkaar in de dikte van een haar.
Onderzoekers van het Duitse onderzoekscentrum Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) en de Universiteit Rostock hebben een nieuwe manier gevonden om ze te maken: met een laserflits op een vel plastic. Hun diamantjes zijn gemiddeld 3 nanometer groot (een nanometer is een miljoenste millimeter) en bestaan elk uit zo'n 3.000 koolstofatomen. Bijzonder is dat ze bijna allemaal even groot zijn. Het onderzoek verscheen eind augustus in het vakblad Diamond and Related Materials; half september maakten de instituten het bekend.
Waarom piepkleine diamantjes nuttig zijn
Nanodiamanten zijn hard, sterk en goed bestand tegen hitte. Nu worden ze vooral gebruikt in slijp- en poetsmiddelen. Onderzoekers zien veel meer mogelijkheden. Ze kunnen dienen als heel gevoelige sensoren, als contrastmiddel dat MRI-scans in het ziekenhuis duidelijker maakt, of als hulpstof die chemische reacties versnelt. Een voorbeeld van dat laatste is CO2 met zonlicht afbreken. Omdat de korrels zo klein zijn, hebben ze samen een enorm groot oppervlak waar zo'n reactie kan plaatsvinden.
Op dit moment worden nanodiamanten meestal gemaakt door explosieven te laten ontploffen in een afgesloten vat. Daarbij ontstaan korrels van rond de 5 nanometer, die aan elkaar gaan klonteren. Ze moeten daarna een of twee dagen in heet zuur worden gekookt om roet en metaalresten te verwijderen. Precies sturen hoe groot de korrels worden, lukt zo niet goed. Volgens de Duitse onderzoekers kan dat met hun lasermethode wel, en levert die ook schonere diamantjes op.
Van plastic naar diamant in een flits
Het team werkte met PET, het plastic waar frisdrankflessen van worden gemaakt. PET bestaat voor een groot deel uit koolstof, en diamant is niets anders dan koolstof met de atomen in een heel strak patroon. Pers je het plastic hard genoeg samen, dan kunnen de koolstofatomen zich tot diamant ordenen.
De proeven vonden plaats bij ELI Beamlines, een groot laserinstituut net ten zuiden van Praag. Daar schoot een krachtige laser drie keer per minuut op een folie van 0,1 millimeter dik, steeds op een nieuwe plek. Elke flits jaagt een schokgolf door de folie. Even is de druk ongeveer een miljoen keer zo hoog als de luchtdruk om ons heen. In die fractie van een seconde ontstaan de diamantjes.
Als de schokgolf de achterkant van de folie bereikt, worden de diamantjes met meer dan 10 kilometer per seconde de lege ruimte in geslingerd. Dat is ruim 36.000 kilometer per uur, zo snel als een meteoriet. Om ze heel op te vangen, gebruikte het team een cilinder met een zachte gel die oplost in water. Daarin landen de diamantjes zacht genoeg om niet kapot te gaan. Daarna losten de onderzoekers de gel op, zuiverden ze de diamantjes en bekeken ze ze met een elektronenmicroscoop van de Universiteit Rostock die losse atomen zichtbaar kan maken. Zo zagen ze de diamantjes voor het eerst echt met eigen ogen. Hoofdauteur Ben Heuser, die de proeven deed voor zijn promotieonderzoek, noemt dat een mijlpaal waar het team lang naartoe had gewerkt.
Begonnen bij Neptunus en Uranus
Het idee komt uit de sterrenkunde. Diep binnenin de ijsreuzen Neptunus en Uranus is het duizenden graden heet en is de druk miljoenen keren hoger dan op aarde. Daar ontstaan mogelijk diamanten die als regen naar binnen zakken. De groep van natuurkundige Dominik Kraus, die nu het instituut voor hoge-energiefysica van HZDR leidt en hoogleraar is in Rostock, bootst die omstandigheden al jaren na met lasers en plastic. In 2022 lieten de onderzoekers samen met collega's in de Verenigde Staten zien dat er in PET binnen enkele miljardsten van een seconde nanodiamanten ontstaan.
Volgens Kraus had het team wel verwacht dat er diamant zou ontstaan, maar ging het zo snel dat ze aan een praktische toepassing gingen denken. Eén vraag bleef toen nog open: blijven de diamantjes heel als de druk en hitte weer verdwijnen? Met dit experiment is het antwoord ja.
De volgende stappen
Een flits levert zo'n 10 biljoen diamantjes op, maar omdat ze zo klein zijn, wegen ze samen heel weinig. Honderd flitsen leverden een paar honderd microgram op, enkele tienden van een milligram. Dat is genoeg om ze goed te onderzoeken. Het doel is milligrammen per keer te maken, net als met de huidige methode. Daarbij helpt dat er voor onderzoek naar kernfusie lasers worden ontwikkeld die veel vaker per seconde kunnen vuren en zuiniger met energie omgaan. Hoe vaker de laser flitst, hoe meer diamantjes er ontstaan. Verdere proeven in Rostock en bij grote laserinstituten moeten dat laten zien.
Een extra voordeel: tijdens het maken kunnen andere soorten atomen in de diamantjes worden ingebouwd. Zo kun je ze geschikt maken voor een bepaalde taak, bijvoorbeeld als sensor of als contrastmiddel.
Het team kijkt ook verder dan diamant. In november staat een eerste proef gepland om BC8 te maken, een vorm van koolstof die tot nu toe alleen in berekeningen bestaat. BC8 zou compacter zijn dan diamant, ongeveer even hard, maar minder snel breken. Op aarde kan het niet vanzelf ontstaan.
Wat betekent dit voor de weg naar de singulariteit?
Dit onderzoek laat mooi zien hoe vooruitgang soms uit onverwachte hoek komt. Wat begon als een vraag over het binnenste van verre planeten, wordt nu een manier om een nuttig materiaal schoner en preciezer te maken. Plastic is daarbij een grondstof voor iets nieuws, zoals ook bij scheikundigen die van plastic afval een spons maken die water uit de lucht haalt.
Juist zulke verbanden tussen vakgebieden zijn iets waar AI steeds beter in wordt. Een planeetonderzoeker denkt niet snel aan contrastmiddelen voor MRI, en een arts niet aan de binnenkant van Neptunus. Grote AI-modellen hebben kennis van al die vakgebieden tegelijk en kunnen zulke bruggen eerder zien. Ook bij de volgende stap kan AI helpen: uitrekenen welke laserinstellingen en welke ingebouwde atomen de beste diamantjes voor een bepaalde taak opleveren, zodat er minder proeven nodig zijn. Lukt het om de productie op te schalen, dan liggen piepkleine diamanten op maat binnen bereik, van supergevoelige sensoren tot schonere manieren om CO2 af te breken.
