Tag Archief: diamant

Bling bling in space

Eens om de zoveel tijd komt er een bericht in het nieuws over een vorm van diamant in de ruimte: in sterren, planeten, meteorieten, of satellieten. Eerder deze maand nog berichtte Eos erover dat het op Jupiter en Saturnus diamant zou regenen. Hierbij een overzicht in vijf stappen: van microscopisch kleine diamantkorrels naar kolossale klompen diamant en van kortbij naar verder weg.

Een grote diamant in de ruimte.

Een grote diamant in de ruimte. (Bron afbeelding.)

(1) Diamanten in meteorieten. We beginnen met stukjes uit de ruimte die op aarde te vinden zijn: sommige meteorieten bevatten diamant. Dit betekent niet automatisch dat het diamant afkomstig is uit de ruimte, want het zou ook kunnen ontstaan op het moment dat de meteoriet met een harde klap op de aarde neerstort. Voor beide vormingsprocessen zijn er aanwijzingen; het hangt van de specifieke meteoriet af.

Het oudste gekende voorbeeld stamt uit 1886: er viel toen een meteoriet in Mordovië (Rusland), waarvan twee jaar later werd vastgesteld dat die diamantkorrels bevatte. Er wordt nog steeds onderzoek verricht op deze meteoriet, in de hoop aan de weet te komen waar de meteoriet vandaan komt en hoe het diamant erin is ontstaan.

Fragment van de Canyon Diablo meteoriet.De bekendste inslagkrater van een meteoriet op aarde bevindt zich in een woestijn in Arizona: de Barringerkrater (vernoemd naar de Amerikaanse geoloog en mijnbouwingenieur Daniel Barringer). In de Cañon Diablo meteoriet, die deze krater veroorzaakte, werden in 1891 al harde korrels gevonden. In de jaren 1930 werd de meteoriet verder onderzocht en toen bleken de harde korrels kleine stukjes diamant te zijn. Nog later werd ontdekt dat deze diamantkorrels niet allemaal dezelfde structuur hebben als aards diamant: in aards diamant vormt het koolstof een kubische structuur, maar ongeveer een derde van het diamant in de Cañon Diablo meteoriet heeft een hexagonale structuur. Deze alternatieve vorm van diamant wordt lonsdaliet genoemd (ter ere van de Ierse kristallografe Kathleen Londsdale).

In 1971 viel er een meteoriet in Finland: de Haverö-meteoriet. In 2010 kwam deze meteoriet opnieuw in de belangstelling: het diamant hierin lijkt harder te zijn dan ander diamant dat op aarde gevonden wordt, omdat het zich nog moeilijker laat polijsten. Het is waarschijnlijk ontstaan tijdens de impact, doordat er een schokgolf door de laagjes grafiet ging.

Zo ziet de satelliet Proba-2 eruit (artist impression).

Zo ziet de satelliet Proba-2 eruit (artist impression door de Franse illustrator Pierre Carril). (Bron afbeelding: ESA.)

(2) Zonneblinde UV-sensoren. We wenden onze blik van de aarde af, naar omhoog. Er draait diamant in een baan om de aarde: de Europese satelliet Proba-2 die in 2009 is gelanceerd, heeft vier instrumenten aan boord. Eén daarvan is de Large Yield Radiometer (LYRA): deze detector doet metingen van de straling van de zon. Hierin zitten een aantal stukjes synthetisch diamant (gemaakt op het Instituut voor MateriaalOnderzoek in Diepenbeek), die dienst doen als UV-sensoren. Diamant is gevoelig voor UV doordat het een brede bandkloof heeft. (Anders gezegd: het energieverschil tussen valentie- en conductieband komt overeen met de energe van een foton in het UV-gebied.) Omdat diamant bovendien transparant is voor zichtbaar licht, is het heel geschikt om als UV-sensor te dienen. (Andere materialen die gebruikt worden in UV-sensoren moeten met filters afgeschermd worden van het zichtbare deel van de straling die de zon uitzendt.)

Volgens deze website is het LYRA-project het eerste waarin diamanten UV-sensoren in ruimteonderzoek gebruikt worden. De meest recente spectra van LYRA staan op deze webpagina van de Koninklijke Sterrenwacht van België (klik op de figuur rechts bovenaan). Een archief met links naar alle resultaten vind je hier.

Diamond Rain.(3) Als het diamanten regent… We dwalen door het zonnestelsel en wenden onze blik naar de zevende en achtste planeet in ons zonnestelsel: Neptunus en Uranus. In oktober 1999 werd er geopperd dat het op deze gasreuzen diamanten zou kunnen regenen. Er is methaan aanwezig (bron van koolstof) en de druk en temperatuur zouden er hoog genoeg zijn om diamantvorming mogelijk te maken. Als er zich eenmaal een diamantkristal heeft gevormd, heeft dit een hogere dichtheid dan het omringende gas van de planeet en zou het naar het centrum van de planeet toe beginnen vallen. Vandaar het beeld van “diamanten regen”, dat uiteraard tot de verbeelding spreekt.

Theoretisch werk uit 2007 toonde aan dat diamantvorming in gasplaneten mogelijk is, maar toch erg onwaarschijnlijk blijft. Computersimulaties van Amsterdamse onderzoekers hebben toen aangetoond dat de vorming van grafiet statistisch gezien de overhand heeft.

In oktober 2013 kwam opnieuw in het nieuws dat er op twee planeten in ons zonnestelsel veel diamant te vinden zou zijn (onder andere bij Eos, via Eddy Echternach van Astronieuws). Het gaat deze keer over de vijfde en zesde planeet, Jupiter en Saturnus, dus niet over Neptunus en Uranus. Toch verbaasde me dat, gezien het vorige resultaat. Zijn er dan nieuwe feiten? Echternach gebruikte deze bron: daarin wordt er inderdaad verwezen naar recenter onderzoek, waaruit blijkt dat diamant zich kan vormen in bepaalde zones in deze planeten, maar dat druk en temperatuur in diepere zones zo hoog zijn, dat diamant er smelt.

Er is hierbij ook sprake van “diamantregen”, maar in het geval van Jupiter en Uranus moet je niet denken aan stenen die naar het midden zinken, maar aan diamant dat smelt.

Een diamantplaneet.

Een diamantplaneet. (Bron afbeelding.)

(4) Exit de diamant exoplaneet. We laten ons zonnestelsel achter en reizen naar 55 Cancri, een dubbelster op meer dan 40 lichtjaar afstand. In 2010 werd vastgesteld dat de gele dwergster 55 Cancri A meer koolstof dan zuurstof bevat. Er draaien vijf planeten rond deze ster, waaronder een superaarde: 55 Cancri e. In oktober 2012 namen onderzoekers van de universiteit van Yale aan dat de planeet 55 Cancri e ook meer koolstof dan zuurstof bevatte (net als de ster waar de planeet rond draait). Mede op grond van deze informatie kwamen ze op de hypothese dat deze exoplaneet mogelijk een kern had die voornamelijk uit diamant bestond. (Dit was toen onder andere te lezen bij Eos, via Echternach van Astronieuws.)

Een jaar later, in oktober 2013, wordt dit eerdere bericht ontkracht (zie ook het persbericht en Astronieuws): nieuwe spectroscopische analyses van de ster tonen aan deze toch niet meer koolstof dan zuurstof bevat. Er is dus ook geen reden om aan te nemen dat dit wel zou gelden voor de bijbehorende planeet. Kortom, de superaarde 55 Cancri e bestaat waarschijnlijk niet voornamelijk uit diamant.

In 2011 kwam er een andere mogelijke diamantplaneet in het nieuws (zie ook bij Eos en op Astroblogs): het gaat om een exoplaneet die rond een pulsar (PSR J1719-1438) draait en waarvan de hoge dichtheid doet vermoeden dat de planeet hoofdzakelijk uit diamant bestaat. De pulsar wordt bestudeerd met radiotelescopen. De dichtheid van de bijbehorende planeet wordt in dit geval niet bepaald aan de hand van spectroscopische gegevens. Onze informatie over het bestaan en de dichtheid van deze planeet berust op indirecte gegevens: hoe de aanwezigheid van deze – tot op heden niet rechtstreeks waarneembare – planeet de pulsar beïnvloedt.

De conclusie dat we nu honderd procent zeker zijn dat er ergens in de ruimte een diamantplaneet bestaat, lijkt dus voorbarig.

Veel diamantjes in het oude computerspel 'Boulder Dash'.

Er vielen ook veel diamantjes te rapen in het oude computerspel ‘Boulder Dash‘. (Bron afbeelding.)

(5) Fonkel fonkel, diamanten ster. Wat met planeten niet lukt, lukt misschien wel met sterren?

Om te beginnen is de diamant-‘planeet’ die rond pulsar PSR J1719-1438 draait naar alle waarschijnlijkheid een ster, meer bepaald een witte dwerg: een afkoelende, zwak stralende ster die aan het einde van haar leven komt.

De beste aanwijzingen die we momenteel hebben voor een grote diamant in de ruimte is afkomstig van een andere witte dwerg: BPM 37093. De ster werd geobserveerd in 2004 en berekening uit 2007 tonen aan dat deze witte dwerg best wel eens uit diamant kan bestaan. Deze witte dwerg wordt daarom ook wel “Lucy” genoemd, naar het liedje van The Beatles: “Lucy in the sky with diamonds“. (Persbericht hier en stukje op Astroblogs hier. De berekeningen staan in hetzelfde artikel dat de hypothese over de vorming van diamant in gasplaneten ontkrachtte.)

Professor Kees De Jager maakte een Nederlandstalige presentatie over deze diamantster (bron; via). Die kun je hieronder bekijken.

Aanvulling (25 juni 2014):

Volgens National Geographic zou er weer een diamanten ster (witte dwerg die rond pulsar PSR J2222-0137 draait) “ontdekt” zijn. Voor zo ver ik kan zien vermeldt de preprint van Kaplan et al. deze hypothese niet expliciet, maar blijkbaar heeft de eerste auteur het wel zo toegelicht aan de journalisten.

In pyjama naar het labo

De afkorting van 'Non-Archimedean Probability' is NAP. Na al dat nadenken over infinitesimale kansen hebben we toch wel een dutje verdiend?Naar aanleiding van De Nacht van De Onderzoekers (vandaag, op vrijdag 27 september) gaat Radio 1 op zoek naar “de meest onvermoeibare onderzoeker” (van Vlaanderen).*

Alle onderzoekers die ik ken zijn gepassioneerde mensen en dus harde werkers (al wordt onze pure liefde voor de wetenschap helaas soms wat overschaduwd door de stijgende publicatiedruk en de bijbehorende stress). De meest onvermoeibare onderzoeker ben ik ongetwijfeld niet. Mijn laatste onderzoeksproject heet immers niet toevallig ‘NAP‘: de letters staan voor Niet-Archimedische Probabiliteit, maar het is ook Engels voor dutje. ;-)

Toch heb ik heel wat nachtposten gedraaid tijdens mijn tijd als doctoraatsstudent in de materiaalfysica. Als je één week meettijd hebt aan een synchrotron, dan moet je daar het meeste uithalen en al eens een nachtje doorwerken. Verder ging ik geregeld ’s nachts naar het laboratorium om te controleren of alles nog in orde was met de staaltjes.

Ik werkte aan het Instituut voor Materiaalonderzoek van de Universiteit Hasselt. Dat ligt op het Wetenschapspark, dat ’s nachts werd afgesloten met een schuifpoort. Omdat ik de eerste jaren geen auto had, had ik zogenaamd geen pasje nodig om de poort te openen. Dus moest ik ’s nachts eerst nog over de beek springen!

Dit is een staaltje van diamant op silicium.We waren een protocol aan het ontwikkelen om DNA aan diamant te koppelen (lees ook hier). Diamant gaat in gewone omstandigheden bijna geen chemische bindingen aan. Dit lukt wel als je het diamant bijvoorbeeld met sterk UV belicht, maar het DNA verdraagt dit UV dan weer niet… Een uitweg voor dit dilemma is om eerst een linkermolecule (dat wel de UV-belichting verdraagt) aan het diamant te koppelen en pas in de volgende stap het DNA aan die linkerlaag te koppelen (waarbij geen UV meer nodig is).

Ik legde de stukjes diamant dus ’s avonds onder de UV-lamp om gedurende een hele nacht te reageren met verschillende linkermolecules, maar onder die lamp werd het vrij warm en sommige molecules konden daarbij verdampen. ’s Nachts keerde ik dan naar het labo terug om (indien nodig) wat extra vloeistof op de staaltjes te pipetteren. Daar stond ik dan, vermoedelijk ongekamd en met wat kleren in der haast aangetrokken over mijn pyjama. En daarover een labojas: glamoureus.

Na een tijdje probeerden we een dun kwartsplaatje (transparant voor UV) op de natte diamantstaaltjes te legden. Sindsdien verdampten de linkermolecules niet meer en kon ik op mijn twee oren slapen. (Al moest ik wel nog even die doctoraatsthesis schrijven, uiteraard.)

Toch was het bijzonder om ’s nachts door het instituut te lopen. Door het aan- en afslaan van de pompen aan de glovebox (een werkbank gevuld met stikstof waar je via rubberhandschoenen in kunt werken) leek het wel of het instituut ademde. De meetinstrumenten die tikten en bromden. Ook de pompen aan de diamantreactoren waren steeds aan het werk. De meeste mensen sliepen, maar ons labo niet!

UV-Lampje.

U ziet wellicht het blauwe bakje tussen wat rommel? Daar stond ik zo anno 2006 ’s nachts voor op… (Deze foto is weliswaar genomen in 2007, want er liggen al kwartsplaatjes op de stalen.) Een kleine rondleiding (want zoiets krijg je nooit te zien op een officiële opendeurdag). Het blauwe blakje is de behuizing voor een UV-lamp, met een lade waar ik diamantstaaltjes in kon leggen. De draaiknop van het overbodige timermechanisme is met twee schroeven geblokkeerd en dit is vervolgens afgedekt met een schaaltje om niemand op het idee te brengen eraan te prutsen. U ziet: de genialiteit en professionaliteit spat ervanaf in de academische wereld. ;-) Dit alles stond in een met stikstof gevulde glovebox. Linksonder zie je een sluis, die ik – met mijn linkerhand in een zwarte rubberhandschoen – aan het opendraaien ben. Rechts zie je de transparante behuizing van een opstelling om zonnecellen te meten.

Wat betreft “de meest onvermoeibare onderzoeker” (van deze wereld en ver daarbuiten) stel ik voor om Curiosity te nomineren (en de onderzoekers die de doorgestuurde gegevens analyseren), het onvermoeibare Mars-wagentje dat – zo is nu in een Science-publicatie bevestigd – water gevonden heeft op de rode planeet. (Lees er hier een Nederlandstalig bericht over.) Hoera!

*Ik bezocht de website van Radio1 eigenlijk omdat ik wou bloggen over het onderwerp van nep-publicaties, dat donderdagavond aan bod was gekomen, maar toen kwam ik dus dit onderwerp tegen.

Diamonds are forever – of toch niet?

Tiffany, de Bond-girl uit Diamonds Are Forever.Zestig jaar geleden schreef Ian Fleming zijn eerste roman over geheimagent James Bond (“Casino Royale“) en vijftig jaar geleden kwam de eerste Bond-film in de zalen (“Dr. No“). De marketing rond alles wat met 007 te maken heeft draait deze dagen dan ook op volle toeren: het titelnummer van de nieuwste film, “Skyfall“, gezongen door Adele is overal te horen en er zijn speciale DVD-boxen te koop met alle Bond-films van de voorbije halve eeuw.

Zoek je net als ik een evenwicht tussen weerstaan aan de merchandising en niet geheel wereldvreemd zijn? Dan kun je deze periode aangrijpen om je favoriete Bond-film nog eens te herbekijken. Ik moet eerlijk bekennen dat ik geen groot 007-kenner ben, maar ik heb wel een liefhebber in huis, die maar wat blij was toen ik zelf voorstelde om “Diamonds are forever” te bekijken. Het is een passende keuze bij dit gouden jubileum – zeker als je weet dat “Golden Jubilee” ook de naam is van de grootste geslepen diamant ter wereld.

Bij het bekijken van de film was ik blij verrast dat het tempo zo hoog lag: dat had ik niet verwacht van een film uit 1971! Verder was ik vooral benieuwd naar de feitelijke juistheid van wat er in de prent over diamant werd verteld. Hier volgt een overzicht van mijn bevindingen. Daarbij verandert Bond-girl Tiffany, net als in de film, geregeld van haarkleur. :-)

Tiffany, de Bond-girl uit Diamonds Are Forever.(1) Diamantsmokkel: “goede research”

Diamonds are forever” gaat over diamanten die gesmokkeld worden vanuit de diamantmijnen in Zuid-Afrika. Ian Fleming raakte geïntrigeerd door dit onderwerp en interviewde John Collard, die in opdracht van diamantkartel De Beers onderzoek deed naar illegale diamanttrafiek. De schrijver gebruikte deze interviews niet enkel als achtergrondinformatie voor zijn Bond-roman “Diamonds are forever” uit 1956, maar verwerkte ze een jaar later ook in zijn non-fictie boek “The diamond smugglers. Laten we er dus van uitgaan dat het sociaal-economische aspect van de diamantsmokkel, althans in de romanversie, behoorlijk waarheidsgetrouw is.

Tiffany, de Bond-girl uit Diamonds Are Forever.(2) Diamant recupereren na crematie: “onmogelijk”

Op een zeker moment in de film worden de diamanten met een vliegtuig meegesmokkeld in het lichaam van een overledene. Om de edelstenen te recuperen wordt het lichaam gecremeerd. Achteraf zien we een urne vol diamanten. Maar dit kan helemaal niet, want het diamant zou mee verbrand moeten zijn! Diamant brandt namelijk in lucht bij een temperatuur tussen 600 en 800°C, terwijl een crematieoven werkt bij 870 à 980°C. Het was precies door middel van verbranding dat voor het eerst werd aangetoond dat diamant een vorm van puur koolstof is: Antoine Lavoisier toonde in 1772 aan dat als diamant in een atmosfeer van puur zuurstof verbrandt (met andere woorden: als het reageert met zuurstof), er niets anders van overblijft dan CO2.

Laat je dus niets wijsmaken: diamant is niet voor altijd. Als je zelf wil zien hoe snel diamant verbrandt, maar niet meteen een edelsteen op overschot hebt liggen, bekijk dan onderstaand filmpje van PopSci (bron).

Overigens is er wel een bedrijf, ‘LifeGem‘, dat aanbiedt om de assen van een dierbare overledene te verwerken in een synthetische diamant. Hierbij wordt na de crematie het koolstof (in de vorm van grafiet) uit de assen gezuiverd en in een pers onder zo’n hoge druk gezet dat er diamant ontstaat. Wie weet spreken we na mummificatie en crematie, straks ook van diamantificatie.

Tiffany, de Bond-girl uit Diamonds Are Forever.(3) Zirkonia: “een uitweg”

Even later in de film blijken er toch geen echte diamanten in de urne te zitten. Dit geeft ons een uitweg om deze fout tegen de materiaalfysica alsnog weg te redeneren: James Bond kan de diamanten al vóór de crematie uit het lichaam gehaald hebben en vervangen door zirkonia (of kubisch zirkoniumdioxide). Dit materiaal wordt vaak gebruikt als imitatiediamant omdat het bijna even fel schittert. Het is weliswaar minder hard en dus minder krasbestendig dan diamant, maar het is een oxide dat niet verder met zuurstof kan reageren: zirkonia brandt dus niet. (Als je het tot 2750°C verhit gaat het materiaal weliswaar smelten, maar daarvoor wordt een crematieoven niet heet genoeg.)

Hoewel het dus niet opgaat dat diamant voor altijd is, blijft het titelnummer bij “Diamonds are forever“, gezongen door Shirley Bassey (video-clip), wel een prachtig liedje natuurlijk. Daarbij haalt “Cubic zirconia is forever” het gewoon niet qua hitpotentieel. ;-)

Tiffany, de Bond-girl uit Diamonds Are Forever.(4) Toepassing van diamant in satellieten en lasers: “mogelijk, maar dan anders”

In het boek worden de diamanten enkel gesmokkeld, maar in de film gebeurt dit bovendien met een specifiek doel: de diamanten worden gebruikt in een satelliet om er een krachtige laser van te maken, die vanuit een baan om de aarde doelen op het oppervlak kan vernietigen.

Sinds het uitkomen van de film is er inderdaad diamant meegestuurd met satellieten: het gaat dan om synthetisch diamant dat gebruikt wordt in sensoren. Zo bevat ESA-satelliet Proba-2, die in 2009 gelanceerd werd, verschillende sensoren om de zon te bestuderen. Eén daarvan is de Lyman Alpha Radiometer (LYRA), die gebruikt maakt van diamant om het UV-spectrum van de zon te meten (grafiek van eclips 2010).

De laatste jaren is het gebruik van diamant ook nuttig gebleken voor lasertoepassingen. Wanneer diamant voorzien wordt van een kleine hoeveelheid onzuiverheidsatomen (‘dopering’), kan het materiaal gebruikt worden in een vastestoflaser. Diamant kan ook worden ingezet in Ramanlasers (bron). Verder kunnen spiegels van diamant kunnen gebruikt worden om röntgenstraling te reflecteren: ze worden daarom gebruikt in röntgenlasers (bron). Voor zo ver ik weet, hebben nog geen van deze mogelijkheden het al tot in commercieel verkrijgbare diamant-gebaseerde lasers gebracht. Diamant speelt wel al de iets bescheidener rol van uitgangsvenster in CO2-lasers en als koelplaat in hoog-vermogen lasers. Bovendien vereisen al de vermelde toepassingen synthetisch diamant, waarvan de eigenschappen (zoals dopering) en de afmetingen nauwkeurig bepaald kunnen worden.

Kortom, het is – zelfs met de technologische kennis van 2012 – onduidelijk hoe je van een zak edelstenen een lasersatellietwapen kunt maken.

Vredesprijs voor explosief nanodiamant

Verdient diamant een vredesprijs?De winnaars van de Nobelprijzen 2012 worden pas in oktober bekendgemaakt. In afwachting daarvan werden vorige week wel al de “Ig Nobelprijzen” uitgereikt: de jaarlijkse bekroning voor onwaarschijnlijk wetenschappelijk onderzoek dat eerst doet lachen en dan doet nadenken. Hier vind je de lijst met alle laureaten voor 2012. Mijn aandacht werd getrokken door de Ig Nobelprijs voor de Vrede, die dit jaar een sterk materiaalkundige inslag heeft. Dit vormt meteen een goede aanleiding om de draad op te pikken van een oude blogcategorie: “Materiaal op maandag”. (Vorig jaar verschenen: deel 1 en deel 2.) Als je dit pas op dinsdag leest, kun je die categorie gerust “Diamant op dinsdag” noemen.

De Ig Nobelprijs voor de Vrede gaat dit jaar naar het Russische bedrijfje SKN, dat nanodiamant produceert. Nanodiamant is een vorm van synthetisch diamant dat bestaat uit afzonderlijke korreltjes die elk minder dan een micrometer doorsnede hebben – vaak zelfs maar enkele tientallen nanometer. Het bijzondere aan het nanodiamant van SKN is het productieproces: detonatie. Ontploffing dus. Militaire explosieven gebruiken om er diamant van te maken is niet alleen een sterk staaltje van onwaarschijnlijk onderzoek, maar ook een zeer pacifistisch project: goede argumenten om er een Ig Nobelprijs voor de Vrede aan toe te kennen.

Natuurlijk diamant ontstaat in alle stilte in de aardmantel. Ook in het labo verloopt de diamantsynthese doorgaans zeer vredig, in een chemische-dampdepositiekamer. Detonatie-nanodiamant (DND) echter wordt gevormd in de schokgolf van een gecontroleerde ontploffing van een mengsel van TNT en RDX – een combinatie van explosieven die ook in militaire toepassingen wordt gebruikt.

Deze manier om (nano-)diamant te maken werd al in de jaren zestig van vorige eeuw ontwikkeld in de voormalige Sovjet-Unie. Zelf hoorde ik voor het eerst over het alternatieve productieproces toen een Russische onderzoeker er een lezing over kwam geven op het Instituut voor Materiaalonderzoek in Diepenbeek. Zelf werkte ik aan biosensoren op basis van dunne plaatjes diamant. Diamantpoeders waren dus niet meteen toepasbaar voor mijn eigen onderzoek, maar toch is het onderwerp van de lezing – en de voorpret die we hadden bij de aankonding ervan – me bijgebleven. Geen slechte winnaar dus voor een Ig Nobelprijs. :)

Hieronder zie je de uitreikingsceremonie die plaatsvond aan de Universiteit van Harvard. Het filmpje start bij de aankondiging van de Ig Nobelprijs voor het nanodiamant en de korte ontvangstspeech van de directeur van SKN, Igor Petrov.

Nanodiamantjes zijn veel te klein om als edelsteen te dienen in zelfs de meest bescheiden ring. Toch zijn er heel wat toepassingen voor dergelijke diamantpoeders. De poeders kunnen worden toegevoegd aan motorolies, smeermiddelen of plastics en worden ook gebruikt bij polijsten. Verder hebben nanodiamantjes van specifieke afmetingen luminescente eigenschappen: de korrels kunnen gebruikt worden om specifieke biomoleculen mee te labelen en dit kan dan weer worden ingezet in medische toepassingen, zoals bij het onderzoek naar kanker. TNT inzetten om uiteindelijk een middel tegen kanker te vinden: als je het zo bekijkt, verdient dat zeker een vredesprijs.

Natuurlijk is geen enkele menselijke uitvinding of ontdekking louter goed of slecht. Deze ijzeren wet geldt ook voor nanodiamant. Zelf vermelden de wetenschappers het gebruik van nanodiamant als additief in galvanisatie (bron; vertaling), waardoor het oppervlak van materialen voorzien wordt van betere mechanische eigenschappen, zoals hogere hardheid, lagere poreusiteit en minder corrosie. Het ironische aan de situatie is dat dit dan weer kan worden toegepast om de loop van vuurwapens slijtvaster te maken. Voor alle duidelijkheid: ik wil niet beweren dat SKN daar zelf bij betrokken zou zijn, maar deze toepassing staat wel vermeld op de website van Ray Techniques (een Israëlische producent van nanodiamant).

Toch vreemd hoe zo’n onzichtbaar klein diamantkorreltje een rol kan gaan spelen in grote thema’s als oorlog en vrede.

Synthetisch diamant

Alle koolstofatomen zijn hetzelfde, of ze nu in grafiet of in diamant ingebouwd zijn.In deze tweede aflevering van “Materiaal op maandag” (deel 1 is hier) gaan we dieper in op diamant, mijn favoriete materiaal. Diamant spreekt tot de verbeelding. Niet enkel tot die van trouwlustige jongedames, maar ook tot die van wetenschappers. Aan het eind van de achttiende eeuw had de Engelse chemicus Smithson Tennant met een eenvoudige proef aangetoond dat diamant uit dezelfde substantie bestaat als grafiet en houtskool (zie Tennants artikel uit 1797). Intussen weten we dat deze drie materialen uit puur koolstof bestaan: element C met atoomnummer 6. Tussen een individueel atoom van het grafietstaafje in je potlood of een atoom van een diamant zit er geen enkel verschil. In tegenstelling tot edelmetalen zoals goud is het element koolstof ook helemaal niet zeldzaam.

Wat diamant zo bijzonder maakt, zijn niet de individuele atomen, maar de ordening van die deeltjes. Ze zitten in een sterk gebonden kristalrooster en dit geeft het materiaal een aantal bijzondere eigenschappen: diamant is heel hard, het is transparant en het heeft ook interessante elektronische eigenschappen. Of koolstof zich ordent als grafiet of als diamant (of nog andere allotropen van het materiaal, zoals buckyballen) hangt af van de omgeving waarin het zich bevindt. Bij kamertemperatuur en onder normale atmosferische druk heeft grafiet de voorkeur. In de aarde, op zo’n 160 km diepte (dit is onder de aardkorst, in de aardmantel), zijn er echter zones waar diamant spontaan kan ontstaan: de druk is er hoog genoeg bij een temperatuur van rond de duizend graden Celsius. Als er dan ook nog vulkanische activiteit in de buurt is, kan het diamant met het gloeiende magma meeliften naar het aardoppervlak. Er zijn weinig plaatsen waar al de omstandigheden precies goed zijn (diamant wordt vooral gewonnen in centraal en zuid Afrika) en dat maakt diamanten zeldzaam en kostbaar.

De alchemisten droomden ervan om goud te maken van minder waardevolle materialen. Achteraf – met onze huidige wetenschappelijke kennis – is het gemakkelijk om in te zien waarom dit niet lukte: om het element goud (Au) te maken uit andere elementen zou je een kernreactie moeten opstarten. Omdat zowel diamant als grafiet echter uit hetzelfde (vrij alledaagse) element koolstof bestaan, lijkt het idee om diamant te maken uit grafiet minder hopeloos. Het is inderdaad mogelijk om deze transformatie in het labo te laten gebeuren. Net zoals diamant op natuurlijke wijze kan ontstaan in de aarde, kun je een apparaat bouwen waarin je grafiet onder hoge druk en temperatuur laat omzetten in diamant. Deze techniek heet HPHT, wat staat voor ‘High Pressure, High Temperature‘. De toestellen zijn groot en de geproduceerde diamantjes klein. Ook heeft men met deze techniek weinig controle over de vorm en andere eigenschappen van het geproduceerde diamantkristal. Daarom bleef men verder zoeken naar alternatieve manieren om synthetisch diamant te maken.

Deze zoektocht leidde tot de ontwikkeling van een tweede type synthetisch diamant: CVD-diamant. CVD staat voor ‘Chemical Vapour Depostion‘ of ‘chemische dampafzetting’. Bij deze techniek wordt er methaangas (CH_{4} of aardgas dus) gebruikt als koolstofbron. Met behulp van microgolven wordt het gas omgezet in een plasma, waarbij de elektronen en de atoomkernen vrij voorkomen. In het plasma wordt er een plaatje silicium gelegd. Silicium heeft namelijk dezelfde kristalstructuur als diamant, met een vergelijkbare roosterconstante. Het intuïtieve idee is dat de koolstofatomen uit het plasma het rooster ‘verder bouwen’ en dat er zo een diamantfilm groeit op het siliciumoppervlak. Dit zou op de volgende manier kunnen gebeuren, waarbij het koolstof in de vorm van CH_{3}-radicalen op het oppervlak landt:

Op deze manier kan er een nieuw laagje diamant aangroeien in een CVD-reactor.

Vereenvoudigd diagram van het standaard groeimodel voor CVD-diamant. (Bron van de figuur: http://www.chm.bris.ac.uk/pt/diamond/growthmodel.htm)

Als je echter naar de temperatuur en druk kijkt van het plasma, blijkt bovenstaand reactiemechanisme zeer onwaarschijnlijk te zijn: grafiet is onder de gebruikte omstandigheden de dominante fase. CVD lijkt dus een nodeloos ingewikkelde manier om grafiet te maken, ware het niet dat men in de jaren 1960 een slimme truc heeft gevonden: men voegt een overmaat aan waterstofgas (H_{2}) toe aan het gasmengels. De vrije waterstofkernen uit het plasma zullen vooral het gevormde grafiet wegetsen en in mindere mate het diamant. (Zie deze website voor meer details.)

Zo ontstaat er een soort processie van Echternach in de CVD-reactiekamer: deeltjes koolstof landen op het silicium, de meeste hiervan vormen grafiet en slechts enkele diamant, maar het grafiet wordt door waterstof weggevangen terwijl het gevormde diamant grotendeels ongemoeid wordt gelaten. Netto groeit de diamantfilm aan, beetje bij beetje, met vallen en opstaan. Het laagje wordt elk uur één tot honderd micrometer dikker (afhankelijk van de reactieparameters). Om er een echte edelsteen van een respectabel aantal karaat van te maken is geduld dus de boodschap. Bovendien vergt het slijpen van zo’n hard materiaal ook heel wat tijd.

Het scenario waarbij de diamantair in een lege winkel staat, de reactor aanzwengelt en zegt: “Eventjes geduld, mevrouw, uw diamant is zo klaar” is en blijft dus fictie.

Een flesje diamantgruis

Dit is een staaltje van diamant op silicium.De ‘r’ zit weer in de maand. Tijd voor een kop warme chocolademelk of een kannetje kaneelthee. Een goede tijd ook voor een nostalgische terugblik: vandaag de eerste post van wat een reeks wordt over mijn tijd in de materiaalfysica. Hiervoor heb ik alvast een nieuwe categorie gemaakt die “Materiaal op maandag” heet (wat niet wil zeggen dat ik élke maandag de nostalgische toer op zal gaan).

Zeven jaar heb ik gewerkt  aan het Instituut voor Materiaalonderzoek (IMO) van de Universiteit Hasselt, in labojas en met het pincet in de aanslag. Het laboratium staat vol toestellen waarmee je de eigenschappen kunt onderzoeken van tastbare dingen. Hoewel dit niet meteen de meest natuurlijke habitat is voor filosofische zielen, heb ik er toch mijn hart verloren aan fluorescentiemicroscopie en andere optische technieken. (En veel gesakkerd als het experiment mislukt was, dat ook.) In een chemisch labo draag je een witte labojas. Waarom wit weet ik niet precies: dan zie je beter als je gemorst hebt, gok ik? In het optisch labo is een zwart plunje te verkiezen. Waarom dat is weet ik wél: zwart geeft het minste kans op ongewenste reflecties. Aan optica doen is dus een goed excuus om geen labojas te moeten dragen. ;-)

Het meest gebruikte woord in het laboratorium is “staaltje” – meestal te horen als de Engelse variant “sample“, maar nooit eens met het Nederlandse synoniem “monster”. Tijdens mijn doctoraat ging ik enkele malen metingen doen aan de universiteit van Namen. Daar vielen me de twee volgende zaken meteen op: collega’s begroeten er elkaar ’s morgens met een kus en het Frans voor “staaltje” is “échantillon“.

De staaltjes die ik voor mijn onderzoek gebruikte, waren van diamant. Diamant leek me een prachtig materiaal om mee te werken! Ik ben namelijk niet zo handig, ziet u. Als het hele staal van diamant is – één van de hardste materialen ter wereld -, is het nagenoeg onverwoestbaar. Meestal echter gebruikten we een silicium- of glasplaatje als drager met daarop een dunne laag van diamant en die staaltjes zijn juist bijzonder broos. Je hoeft er maar iets te hard naar te kijken, of de diamantfilm barst door de inwendige spanning. Het kan ook gebeuren dat het laagje diamant in zijn geheel loskomt van de drager, zodat je een plooibaar vliesje diamant overhoudt, dat scheurt zodra je het met een pincet aanraakt. De eerste tijd in het labo waren deze catastrofes mijn enige onderzoeksresultaten. Naarmate ik handiger werd met het pincet en minder bang om eens een flinke beker zwavelzuur te koken (om de staaltjes grondig schoon te maken), begon ik ook echte resultaten te behalen. Samen met collega’s P. en V. lukte het om op het diamantoppervlak biologische moleculen aan te brengen om zo een biosensor te maken. Deze successen kwamen niets te vroeg, want ik was net beginnen overwegen om mijn doctoraatsonderwerp van “Biosensoren op diamant” te verleggen naar “Twintig nieuwe manieren om diamantfilms tot gruis te herleiden”… ;-) Eén flesje met diamantgruis heb ik bewaard. Door de mooie interferentiekleuren lijkt het net elfenpoeder. Wie zegt dat wetenschap niet mooi kan zijn?

Alvast niet Richard Feynman. Deze bekende wetenschapper kreeg in 1965 een (gedeelde) Nobelprijs in de Fysica voor zijn werk aan kwantumchromodynamica; hij bedacht ook een visuele manier om kwantumveldentheorie voor te stellen, die we nog steeds Feynmandiagrammen noemen. (Marcel Vonk, collega-blogger op Scilogs, schrijft deze week ook over Feynmandiagrammen, als voorbeeld van storingsrekening.) Onderstaand filmpje kwam begin deze maand online. Hierin verdedigt Feynman de stelling dat wetenschap niets afdoet aan de schoonheid van de natuur, maar er juist nog aan toevoegt: