Forskare tittar djupt in i en diamant för att se hur atomerna i dess trombocytdefekter är ordnade i det hårdaste naturmaterial som människan känner till.

Ett multinationellt team av forskare, inklusive en forskare från Wits University, har tittat djupt in i en diamant för att se hur atomerna i dess trombocytdefekter är arrangerade i det hårdaste naturmaterial som människan känner till.

Med hjälp av två processer, nämligen transmissionselektronmikroskopi och elektronenergiförlustspektroskopi, forskarna undersökte det rumsliga arrangemanget av kol- och kväveatomer som utgör kärnan i defekterna. Arten av bindningarna mellan atomerna bestämdes också.

Som tomrum och inneslutningar, trombocyter är kända som "defekter" eller brister i diamanter. Där kolatomerna i diamanter är i perfekt periodiskt arrangemang, en trombocytdefekt stör det periodiska arrangemanget av kolatomerna, vilket resulterar i en defekt som ser ut som en liten rak linje inuti ädelstenen när den avbildas med ett elektronmikroskop längs en specifik riktning i diamantkristallen.

Forskning om arten av defekter i en diamant har pågått i många decennier, men genombrottet kom när en atomupplösning aberration korrigerade transmissionselektronmikroskop vid Center for High Resolution Microscopy vid Nelson Mandela University användes för att avbilda och analysera trombocytdefekterna. Mikroskopet drevs i scanning transmission elektronmikroskopi (STEM) läge, med hjälp av en högvinklad ringformig mörk fältdetektor tillsammans med elektronenergiförlust (EEL) spektrumavbildning, säger professor Mervin Naidoo från Wits School of Physics. En artikel om teamets arbete som inkluderade forskare från Nelson Mandela University, Free State University, Oxford University i Storbritannien och Max Planck Institute i Tyskland, publicerades nyligen i tidningen, Naturmaterial .

Tunna diamantsektioner för STEM-analys framställdes med hjälp av en fokuserad jonstråle (FIB) för att skära sektioner på 5x10 mikron med en tjocklek på cirka 20-50 nanometer (nm är en miljarddels meter). Sektionerna undersöktes sedan i ett elektronmikroskop med atomupplösning genom att föra en fokuserad elektronstråle med en väldefinierad energi genom den tunna diamantsektionen. Interferensmönstret som bildas av elektronens "vågor" efter att ha passerat genom en tunn diamantsektion genererar en bild av det rumsliga arrangemanget av kolatomerna i diamantkristallen samt kol- och kväveatomerna i trombocytdefekten. Motsvarande data för energiförlust av elektroner ger information om trombocytens kemiska sammansättning och arten av de kemiska bindningarna mellan atomerna.

"Genom att placera dessa bilder på varandra, vi kunde skapa en unik bild av trombocyten, säger Naidoo.

Medan många teoretiska modeller av atomarrangemang av atomer i trombocyterna föreslogs tidigare, den aktuella studien var den första någonsin som lyckades avbilda de exakta atompositionerna i trombocyterna och matcha den med en av de teoretiska modellerna som föreslogs tidigare.

Kolatomer i en diamant är arrangerade i ett periodiskt tredimensionellt galler. Trombocytdefekten avbryter det periodiska arrangemanget av atomer genom att införa en typ av utökad plan defekt, innehållande mestadels kol och några kväveatomer. Atomerna i trombocyten är ordnade i en sicksackordning av defektpar längs defektlinjen.

"Diamanter är budbärare från djupet. Kunskapen om strukturen och sammansättningen av en trombocytdefekt kan berätta hur diamanter bildas på jorden och vilka processer som är involverade i deras bildning, "säger Naidoo. Med andra ord, den nuvarande kunskapen gör det nu möjligt för forskare att formulera en dynamisk modell av de möjliga punktdefektinteraktioner som så småningom bildade denna trombocytstruktur. "

Trombocyter kan nu också tillverkas i syntetiska diamanter, vilket skulle göra det möjligt för forskare att jämföra trombocyternas natur i naturliga diamanter med sina syntetiska motsvarigheter.

Dessa resultat avslöjade också att trombocyter inte bara består av kväveatomer, men det visade att trombocyter innehåller kväve och kväveatomerna spelar troligen en roll i trombocyternas bildningskinetik.

"Vi har avslöjat ett mysterium. Vi har besvarat med atomupplösningens elektroniska bildteknik frågan om atomarrangemang av atomer i trombocytdefekter i diamant. Denna studie öppnar nu upp för andra spännande forskningsvägar, "säger Naidoo." Detta är inte slutet på historien. "