Nanomaterial har potential att förbättra många nästa generations teknologier. De lovar att påskynda datorchips, öka upplösningen hos medicinska bildapparater och göra elektroniken mer energieffektiv. Men att genomsyra nanomaterial med rätt egenskaper kan vara tidskrävande och kostsamt. En ny, en snabb och billig metod för att konstruera diamantbaserade hybridnanomaterial kan snart lansera fältet framåt.

University of Maryland forskare utvecklade en metod för att bygga diamantbaserade hybridnanopartiklar i stora mängder från grunden, därigenom kringgår många av problemen med nuvarande metoder. Tekniken beskrivs i 8 juni, 2016 års nummer av tidskriften Naturkommunikation .

Processen börjar med små, diamanter i nanoskala som innehåller en specifik typ av förorening:en enda kväveatom där en kolatom ska finnas, med ett tomt utrymme precis bredvid, härrörande från en andra saknad kolatom. Denna "kvävevakans" förorening ger varje diamant speciella optiska och elektromagnetiska egenskaper.

Genom att fästa andra material på diamantkornen, såsom metallpartiklar eller halvledande material som kallas "kvantprickar, "Forskarna kan skapa en mängd olika anpassningsbara hybridnanopartiklar, inklusive nanoskala halvledare och magneter med exakt skräddarsydda egenskaper.

"Om du parar en av dessa diamanter med silver- eller guldnanopartiklar, metallen kan förbättra nanodiamantens optiska egenskaper. Om du kopplar nanodiamanten till en halvledande kvantprick, hybridpartikeln kan överföra energi mer effektivt, sa Min Ouyang, en docent i fysik vid UMD och senior författare på studien.

Bevis tyder också på att en enskild kvävevakans uppvisar kvantfysikaliska egenskaper och skulle kunna bete sig som en kvantbit, eller qubit, vid rumstemperatur, enligt Ouyang. Qubits är de funktionella enheterna i den ännu svårfångade kvantdatortekniken, som en dag kan revolutionera hur människor lagrar och bearbetar information. Nästan alla qubits som studerats hittills kräver ultrakalla temperaturer för att fungera korrekt.

En qubit som fungerar vid rumstemperatur skulle representera ett betydande steg framåt, underlätta integrationen av kvantkretsar i industriella, elektronik på kommersiell och konsumentnivå. De nya diamant-hybrid nanomaterialen som beskrivs i Naturkommunikation har ett betydande löfte om att förbättra prestandan för vakanser för kväve när de används som qubits, Ouyang noterade.

Även om sådana applikationer lovar för framtiden, Ouyang och kollegors främsta genombrott är deras metod för att konstruera hybridnanopartiklarna. Även om andra forskare har parat ihop nanodiamanter med komplementära nanopartiklar, sådana ansträngningar förlitade sig på relativt oprecisa metoder, som att manuellt installera diamanterna och partiklarna bredvid varandra på en större yta en efter en. Dessa metoder är dyra, tidskrävande och introducerar en mängd komplikationer, säger forskarna.

"Vår nyckelinnovation är att vi nu på ett tillförlitligt och effektivt sätt kan producera dessa fristående hybridpartiklar i stort antal, " förklarade Ouyang, som också har utnämningar i UMD Center for Nanophysics and Advanced Materials och Maryland NanoCenter, med en affiliate professur vid UMD Institutionen för materialvetenskap och teknik.

Metoden utvecklad av Ouyang och hans kollegor, UMD fysikforskare Jianxiao Gong och fysikstudenten Nathaniel Steinsultz, möjliggör också exakt kontroll av partiklarnas egenskaper, såsom sammansättningen och det totala antalet icke-diamantpartiklar. Hybridnanopartiklarna kan påskynda utformningen av rumstemperatur-qubits för kvantdatorer, ljusare färgämnen för biomedicinsk bildbehandling, och mycket känsliga magnetiska och temperatursensorer, för att nämna några exempel.

"Hybridmaterial har ofta unika egenskaper som uppstår från interaktioner mellan hybridens olika komponenter. Detta gäller särskilt i nanostrukturerade material där starka kvantmekaniska interaktioner kan förekomma, " sa Matthew Doty, en docent i materialvetenskap och teknik vid University of Delaware som inte var involverad i studien. "UMD-teamets nya metod skapar en unik möjlighet för bulkproduktion av skräddarsydda hybridmaterial. Jag förväntar mig att detta framsteg kommer att möjliggöra ett antal nya tillvägagångssätt för avkännings- och diagnosteknik."

Nanodiamanternas speciella egenskaper bestäms av deras kvävevakanser, som orsakar defekter i diamantens kristallstruktur. Rena diamanter består av ett ordnat galler av kolatomer och är helt transparenta. Dock, rena diamanter är ganska sällsynta i naturliga diamantavlagringar; de flesta har defekter som beror på föroreningar som inte är kol, såsom kväve, bor och fosfor. Sådana defekter skapar de subtila och önskvärda färgvariationerna som ses i ädelstensdiamanter.

Diamanterna i nanoskala som användes i studien skapades på konstgjord väg, och ha minst en kvävevakans. Denna förorening resulterar i en förändrad bindningsstruktur i det annars ordnade kolgittret. Den förändrade bindningen är källan till det optiska, elektromagnetiska och kvantfysikaliska egenskaper som gör diamanterna användbara när de paras ihop med andra nanomaterial.

Även om den aktuella studien beskriver diamanter med kvävesubstitutioner, Ouyang påpekar att tekniken kan utvidgas till andra diamantföroreningar också, var och en kan öppna upp nya möjligheter.

"En stor styrka med vår teknik är att den är allmänt användbar och kan appliceras på en mängd olika diamanttyper och paras ihop med en mängd andra nanomaterial, " Ouyang förklarade. "Det kan också skalas upp ganska lätt. Vi är intresserade av att studera den grundläggande fysiken vidare, men också att gå mot specifika tillämpningar. Potentialen för kvantintrång i rumstemperatur är särskilt spännande och viktig."