Nanodiamanti dalla plastica: recuperati intatti dopo un impatto estremo

Trasformare la plastica in diamanti è possibile. Recuperare i cristalli senza distruggerli, però, significa intercettarli mentre viaggiano a velocità simili a quelle di un meteorite. Un gruppo di ricercatori è riuscito a raccogliere intatti questi nanodiamanti, dimostrando che resistono al passaggio dalle condizioni estreme in cui si formano a quelle ordinarie.

Le particelle ottenute hanno un diametro medio di tre nanometri, cioè tre miliardesimi di metro, e contengono circa 3.000 atomi di carbonio ciascuna. La tecnica laser produce diamanti molto puri, minuscoli e di dimensioni uniformi: caratteristiche difficili da ottenere con i metodi convenzionali, comprese le esplosioni. In futuro, i cristalli potrebbero essere modificati aggiungendo atomi di altri elementi e impiegati, tra le altre cose, nell’imaging medico.

Come si formano i nanodiamanti

La ricerca è nata da esperimenti che riproducevano condizioni simili a quelle presenti all’interno di pianeti come Nettuno e Urano: temperature di diverse migliaia di gradi Celsius e pressioni milioni di volte superiori a quella atmosferica terrestre. Colpendo la plastica con laser ad alta potenza, gli scienziati hanno creato le condizioni necessarie perché il carbonio si trasformasse in diamanti. Inizialmente, però, i cristalli erano osservabili soltanto per il breve periodo in cui persistevano temperature e pressioni estreme.

«Ci aspettavamo che in queste condizioni si formassero nanodiamanti. Ciò che ci ha sorpreso, però, è stata la rapidità del processo, che ha subito fatto nascere l’idea di una possibile applicazione tecnica», afferma Dominik Kraus, direttore fondatore del nuovo HEDI Institute of High Energy Density Physics dell’Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) e professore all’Università di Rostock.

La raccolta dei cristalli

Per recuperare i cristalli e studiarli, il gruppo ha lavorato presso l’Extreme Light Infrastructure (ELI), un centro laser a sud di Praga che combina impulsi di energia molto elevata con una frequenza di ripetizione alta. Nell’impianto L4n-P3, un laser colpiva tre volte al minuto una pellicola di plastica PET spessa appena 100 micrometri, circa 0,004 pollici. Ogni impulso generava un’onda d’urto che comprimeva la plastica, formava i nanodiamanti e li proiettava verso un cilindro di raccolta.

«Quando l’onda di compressione raggiunge la fine del campione, entra bruscamente nel vuoto, accelerando i nanodiamanti a velocità superiori a dieci chilometri al secondo, paragonabili a quelle di un impatto meteorico. Per evitare che i diamanti si distruggano all’istante urtando il cilindro di raccolta, dobbiamo usare un mezzo di raccolta molto morbido», spiega Kraus.

Le particelle raggiungevano velocità superiori a 22.000 miglia orarie. Per attutirne l’impatto, i ricercatori hanno usato un gel ionico idrosolubile, adatto anche all’impiego nel vuoto. In seguito hanno estratto i diamanti dal gel e li hanno purificati per poterli esaminare.

Ogni impulso laser produceva circa dieci bilioni di diamanti, ma sono stati necessari circa 100 impulsi per raccogliere alcune centinaia di microgrammi di materiale. La quantità è bastata per identificare e caratterizzare le particelle con il microscopio elettronico ELMI-MV del Dipartimento Life, Light, & Matter dell’Università di Rostock.

«Dopo aver estratto i nanodiamanti dal materiale di raccolta e averli purificati, siamo riusciti a osservarli direttamente per la prima volta con l’ELMI-MV. È stato un momento speciale, verso il quale lavoravamo da anni. Con questo strumento possiamo persino distinguere i singoli atomi», racconta Ben Heuser dell’HZDR, primo autore dello studio. Heuser ha condotto gli esperimenti durante il dottorato all’Università di Rostock.

Le possibili applicazioni

Duri, stabili e resistenti al calore, i nanodiamanti sono già usati negli abrasivi per levigare e lucidare. Particelle più piccole, pure e uniformi potrebbero trovare applicazione anche in medicina, nei nuovi materiali e nelle tecnologie energetiche. Tra gli impieghi possibili ci sono sensori quantistici ad alta sensibilità, che sfruttano gli effetti quantistici per effettuare misurazioni, e mezzi di contrasto medici, che rendono più visibili le strutture interne del corpo durante le scansioni.

A parità di quantità di materiale, i diamanti più piccoli hanno una superficie complessiva maggiore e offrono quindi più spazio per le reazioni chimiche. Potrebbero così funzionare da catalizzatori più efficienti, accelerando processi come la scissione della CO₂ mediante la luce solare. Inoltre, partire dalla plastica facilita l’inserimento nei diamanti di atomi di altri elementi, una tecnica chiamata drogaggio. Queste aggiunte potrebbero adattare le particelle a usi specifici, per esempio migliorando i mezzi di contrasto impiegati negli esami di risonanza magnetica.

Produzione e sviluppi futuri

La ricerca sulla fusione sta contribuendo allo sviluppo di laser più efficienti dal punto di vista energetico, in grado di produrre impulsi potenti con maggiore frequenza. Applicare questi progressi alla produzione di nanodiamanti potrebbe aumentare la resa, permettendo di effettuare più impulsi in meno tempo, e rendere il processo potenzialmente scalabile, con una produzione più pulita e sostenibile.

Con altri esperimenti nei laboratori dell’Università di Rostock e presso grandi infrastrutture di ricerca, il gruppo punta a raggiungere una produzione nell’ordine dei milligrammi, paragonabile a quella dei processi convenzionali. I ricercatori vogliono anche usare la compressione laser per ottenere la BC8, una forma di carbonio finora prevista soltanto in teoria. Si ritiene che sia più densa del diamante, altrettanto dura e meno fragile. Poiché le condizioni necessarie alla sua formazione non si verificano naturalmente sulla Terra, il gruppo spera di crearla direttamente dalla plastica applicando pressioni ancora più elevate con laser potenti. Il primo esperimento è previsto per novembre.

Lo studio

Lo studio, «Recovery of ultrasmall nanodiamonds from plastics shock-compressed to pressures around 100 GPa», è stato pubblicato il 25 agosto 2026 sulla rivista Diamond and Related Materials. Gli autori sono B. Heuser, P. Böhringer, K. Oldenburg, F.P. Condamine, G. Fauvel, M.-L. Herbert, J. Kuhkle, T. Laštovička, P. Luckmann, J. Lütgert, P.T. May, D. Ranjan, S. Schumacher, R.L. Singh, M. Stevenson, S. Weber e D. Kraus. DOI: 10.1016/j.diamond.2026.114091. Per seguire gli aggiornamenti su Google e Google News.

Fonte: scitechdaily.com