Istället för att behöva använda massor av krosskraft och vulkanisk värme för att smida diamanter, forskare vid Case Western Reserve University har utvecklat ett sätt att billigt tillverka nanodiamanter på en labbbänk vid atmosfärstryck och nära rumstemperatur.

Nanodiamanterna bildas direkt av en gas och kräver ingen yta att växa på.

Upptäckten lovar många användningsområden inom teknik och industri, som att belägga plast med ultrafint diamantpulver och göra flexibel elektronik, implantat, läkemedelsleveransanordningar och fler produkter som drar fördel av diamantens exceptionella egenskaper.

Deras undersökning publiceras idag i den vetenskapliga tidskriften Naturkommunikation . Resultaten bygger på en tradition av diamantforskning vid Case Western Reserve.

Utöver dess tillämpningar, upptäckten kan ge en viss inblick i vårt universum:en förklaring av hur nanodiamanter som ses i rymden och som finns i meteoriter kan bildas.

"Detta är ingen komplex process:etanolånga vid rumstemperatur och tryck omvandlas till diamant, " sa Mohan Sankaran, docent i kemiteknik vid Case Western Reserve och ledare för projektet. "Vi strömmar gasen genom ett plasma, tillsätt väte och ut kommer diamantnanopartiklar. Vi kan sätta ihop det här och göra dem i nästan vilket labb som helst."

Processen för att göra dessa små "för evigt stenar" kommer inte att smälta plast så den är väl lämpad för vissa högteknologiska applikationer. Diamant, känd för att vara hård, har utmärkta optiska egenskaper och högsta ljudhastighet och värmeledningsförmåga av något material.

Till skillnad från den andra formen av kol, grafit, diamant är en halvledare, liknar kisel, som är det dominerande materialet inom elektronikindustrin, och galliumarsenid, som används i lasrar och andra optiska enheter.

Även om processen är enkel, att hitta rätt koncentrationer och flöden – det som forskarna kallar "sweet spot" – tog tid.

De andra inblandade forskarna var postdoktor Ajay Kumar, Doktorand Pin Ann Lin, och student Albert Xue, från Case Western Reserve; och fysikprofessor Yoke Khin Yap och doktorand Boyi Hao, från Michigan Technical University.

Sankaran och John Angus, professor emeritus i kemiteknik, kom på idén att odla nanodiamanter utan värme eller tryck för ungefär åtta år sedan. Angus forskning på 1960- och 1970-talen ledde till att han och andra hittade ett sätt att odla diamantfilmer vid lågt tryck och hög temperatur, en process som kallas kemisk ångavsättning som nu används för att göra beläggningar på datorskivor och rakblad. Sankarans specialitet, under tiden, tillverkar nanopartiklar med hjälp av coola mikroplasma.

Det kräver vanligtvis höga tryck och höga temperaturer för att omvandla grafit till diamant eller en kombination av vätgas och ett uppvärmt substrat för att odla diamant snarare än grafit.

"Men på nanoskala, ytenergi gör diamant mer stabil än grafit, " Sankaran förklarade. "Vi tänkte om vi kunde kärnbilda kolkluster i gasfasen som var mindre än 5 nanometer, de skulle vara diamant istället för grafit även vid normalt tryck och temperatur."

Efter flera upp- och nedgångar med ansträngningen, processen kom samman när Kumar gick med i Sankarans labb. Ingenjörerna producerade diamant ungefär som de skulle producera kolsot.

De skapar först en plasma, som är ett tillstånd av materia som liknar en gas men en del blir laddad, eller joniserad. En gnista är ett exempel på en plasma, men det är varmt och okontrollerbart.

För att komma till kallare och säkrare temperaturer, de joniserade argongas när den pumpades ut ur ett rör med en hårbredd i diameter, skapa en mikroplasma. De pumpade etanol – källan till kol – genom mikroplasman, var, liknar att bränna ett bränsle, kol bryter sig loss från andra molekyler i gasen, och ger partiklar på 2 till 3 nanometer, tillräckligt små för att de förvandlas till diamanter.

På mindre än en mikrosekund, de tillsätter väte. Elementet tar bort kol som inte har förvandlats till diamant samtidigt som det stabiliserar diamantpartikelytan.

Diamanten som bildas är inte de stora perfekta kristallerna som används för att göra smycken, men är ett pulver av diamantpartiklar. Sankaran och Kumar tillverkar nu konsekvent högkvalitativa diamanter på i genomsnitt 2 nanometer i diameter.

Forskarna tillbringade ungefär ett år av tester för att verifiera att de producerade diamanter och att processen kunde replikeras, sa Kumar. Teamet gjorde olika tester själva och tog in Yaps labb för att analysera nanopartiklarna med Raman-spektroskopi.

För närvarande, nanodiamanter tillverkas genom att detonera ett sprängämne i ett reaktorkärl för att ge värme och tryck. Diamantpartiklarna måste sedan avlägsnas och renas från förorenande element som samlas runt dem. Processen är snabb och billig men nanodiamanterna aggregeras och är av varierande storlek och renhet.

Den nya forskningen ger lovande konsekvenser. Nanodiamanter, till exempel, testas för att bära läkemedel till tumörer. Eftersom diamant inte erkänns som en inkräktare av immunsystemet, det väcker inte motstånd, huvudorsaken till att kemoterapi misslyckas.

Sankaran sa att hans nanodiamanter kan erbjuda ett alternativ till diamanter gjorda med detonationsmetoder eftersom de är renare och mindre.

Gruppens process producerar tre sorters diamanter:ungefär hälften är kubiska, samma struktur som ädelstensdiamanter, en liten andel är en form som misstänks ha väte instängd och ungefär hälften är lonsdaleite, en hexagonal form som finns i interstellärt stoft men som sällan finns på jorden.

En ny artikel i tidningen Fysiska granskningsbrev antyder att när interstellärt stoft kolliderar, så högt tryck är involverat att det grafitiska kolet förvandlas till londsdaleite nanodiamanter.

Sankaran och Kumar hävdar att ett alternativ utan krav på högt tryck, som deras metod, bör övervägas, för.

"Kanske gör vi diamant på det sätt som diamant ibland görs i yttre rymden, " Sankaran föreslog. "Etanol och plasma finns i yttre rymden, och våra nanodiamanter liknar i storlek och struktur de som finns i rymden."

Gruppen undersöker nu om den kan finjustera processen för att kontrollera vilken form av diamant som tillverkas, analysera strukturerna och avgöra om var och en har olika egenskaper. Lonsdaleite, till exempel, är hårdare än kubisk diamant.

Forskarna har gjort en sorts nanodiamantsprayfärg. "Vi kan göra det här i ett enda steg, genom att spraya nanodiamanterna när de produceras ur plasman och renas med väte, att belägga en yta, " sa Kumar.

Och de arbetar med att skala upp processen för industriellt bruk.

"Kommer de att kunna skala upp? Det är alltid en skitskjutning, " sa Angus. "Men jag tror att det kan göras, och till mycket höga priser och billigt. I sista hand, det kan ta några år att komma dit, men det finns ingen teoretisk anledning till att det inte kan göras."

Om den uppskalade processen är lika enkel och billig som labbprocessen, industrin kommer att hitta många tillämpningar för produkten, sa Sankaran.