De låter som futuristiska vapen, men elektronkanoner är faktiskt arbetshästverktyg för forskning och industri:De sänder ut strömmar av elektroner för elektronmikroskop, halvledarmönstringsutrustning och partikelacceleratorer, för att nämna några viktiga användningsområden.

Nu har forskare vid Stanford University och Department of Energys SLAC National Accelerator Laboratory kommit på hur man kan öka dessa elektronflöden 13, 000 gånger genom att applicera ett enda lager diamantoider – små, perfekta diamantburar – till en elektronpistols vassa guldspets.

Resultaten, publiceras idag i Naturens nanoteknik , föreslå ett helt nytt tillvägagångssätt för att öka kraften hos dessa enheter. De ger också en väg för att designa andra typer av elektronsändare med atom-för-atom-precision, sa Nick Melosh, en docent vid SLAC och Stanford som ledde studien.

Diamantoider är sammankopplade burar gjorda av kol- och väteatomer. De är de minsta möjliga bitarna av diamant, var och en väger mindre än en miljarddels miljarddels karat. Den där lilla storleken, tillsammans med deras stela, robust struktur och hög kemisk renhet, ge dem användbara egenskaper som större diamanter saknar.

SLAC och Stanford har blivit ett av världens ledande centra för diamantoidforskning. Studier utförs genom SIMES, Stanford Institute for Materials and Energy Sciences, och ett labb vid SLAC ägnas åt att utvinna diamantoider från petroleum.

Under 2007, ett team ledd av många av samma SIMES-forskare visade att ett enda lager av diamantoider på en metallyta kunde sända ut och fokusera elektroner till en liten stråle med ett mycket smalt energiområde.

Den nya studien undersökte om en diamantformad beläggning också kunde förbättra utsläppen från elektronkanoner.

Ett sätt att öka kraften hos en elektronpistol är att göra spetsen riktigt vass, vilket gör det lättare att få ut elektronerna, sa Melosh. Men dessa vassa spetsar är instabila; även små oegentligheter kan påverka deras prestanda. Forskare har försökt komma runt detta genom att belägga spetsarna med kemikalier som ökar elektronemissionen, men detta kan vara problematiskt eftersom några av de mest effektiva brinner i lågor när de utsätts för luft.

För denna studie, forskarna använde små nanopelare av germaniumtråd som stand-ins för elektronpistolspetsar. De belade trådarna med guld och sedan med diamanter av olika storlekar.

När forskarna applicerade en spänning på nanotrådarna för att stimulera frigörandet av elektroner från spetsarna, de fann att de fick de bästa resultaten från spetsar belagda med diamantoider som består av fyra "burar". Dessa släppte hela 13, 000 gånger fler elektroner än bara guldspetsar.

Ytterligare tester och datorsimuleringar tyder på att ökningen inte berodde på förändringar i spetsens form eller i den underliggande guldytan. Istället, det ser ut som att några av de diamantformade molekylerna i spetsen förlorat en enda elektron – det är inte klart exakt hur. Detta skapade en positiv laddning som drog till sig elektroner från den underliggande ytan och gjorde det lättare för dem att strömma ut ur spetsen, sa Melosh.

"De flesta andra molekyler skulle inte vara stabila om du tog bort en elektron; de skulle falla isär, " sa han. "Men den burliknande karaktären hos diamantoiden gör den ovanligt stabil, och det är därför den här processen fungerar. Nu när vi förstår vad som händer, vi kanske kan använda den kunskapen för att konstruera andra material som är riktigt bra på att avge elektroner."