Forskare är entusiastiska över diamanter – inte de typer som pryder smycken, men den mikroskopiska sorten som är mindre än bredden på ett människohår. Dessa så kallade "nanodiamanter" består nästan helt av kol. Men genom att introducera andra element i nanodiamantens kristallgitter - en metod som kallas "dopning" - kan forskare producera egenskaper användbara i medicinsk forskning, beräkning och vidare.

I en tidning publicerad 3 maj Vetenskapens framsteg , forskare vid University of Washington, U.S. Naval Research Laboratory och Pacific Northwest National Laboratory meddelade att de kan använda extremt högt tryck och temperatur för att dopa nanodiamanter. Teamet använde denna metod för att dopa nanodiamanter med kisel, får diamanterna att lysa djupt rött - en egenskap som skulle göra dem användbara för cell- och vävnadsavbildning.

Teamet upptäckte att deras metod också kunde dopa nanodiamanter med argon, en ädelgas och icke-reaktivt element relaterat till helium som finns i ballonger. Nanodiamanter dopade med sådana element skulle kunna tillämpas på kvantinformationsvetenskap - ett snabbt växande område som inkluderar kvantkommunikation och kvantberäkning.

"Vår metod låter oss avsiktligt dopa andra element i diamantnanokristaller genom att noggrant välja de molekylära utgångsmaterial som används under deras syntes, " sa motsvarande författare Peter Pauzauskie, en UW docent i materialvetenskap och ingenjörskonst och forskare vid Pacific Northwest National Laboratory.

Det finns andra metoder för att dopa nanodiamanter, såsom jonimplantation, men denna process skadar ofta kristallstrukturen och de införda elementen placeras slumpmässigt, vilket begränsar prestanda och applikationer. Här, forskarna bestämde sig för att inte dopa nanodiamanterna efter att de hade syntetiserats. Istället, de dopade de molekylära ingredienserna för att göra nanodiamanter med grundämnet de ville introducera, använde sedan hög temperatur och tryck för att syntetisera nanodiamanter med de inkluderade elementen.

I princip, det är som att göra en tårta:Det är mycket enklare och effektivare att tillsätta socker i smeten, istället för att försöka lägga till socker i kakan efter gräddningen.

Teamets utgångspunkt för nanodiamanter var ett kolrikt material - liknande träkol, sa Pauzauskie - som forskarna snurrade till en lättviktare, porös matris känd som en aerogel. De dopade sedan kolaerogelen med en kiselinnehållande molekyl som heter tetraetylortosilikat, som var kemiskt integrerad i kolaerogelen. Forskarna förseglade reaktanterna i packningen av en diamantstädcell, vilket kan generera så höga tryck som 15 gigapascal inuti packningen. Som referens, 1 gigapascal är ungefär 10, 000 atmosfärers tryck, eller 10 gånger trycket på den djupaste delen av havet.

För att förhindra att aerogelen krossas vid sådana extrema tryck, de använde argon, som blir fast vid 1,8 gigapascal, som tryckmedium. Efter att ha laddat materialet till högt tryck, forskarna använde en laser för att värma cellen över 3, 100 F, mer än en tredjedel av solens yttemperatur. I samarbete med E. James Davis, en UW professor emeritus i kemiteknik, de såg att vid dessa temperaturer smälter det fasta argonet och bildar en superkritisk vätska.

Genom denna process, kolaerogelen omvandlades till nanodiamanter som innehöll luminescerande punktdefekter bildade från de kiselbaserade dopningsmolekylerna. Nanodiamanterna avgav ett djuprött ljus vid en våglängd på cirka 740 nanometer, vilket är användbart vid medicinsk bildbehandling. Nanodiamanter dopade med andra element kan avge andra färger.

"Vi kan kasta en pil mot det periodiska systemet och - så länge som grundämnet vi träffar är lösligt i diamant - skulle vi kunna införliva det medvetet i nanodiamanten med den här metoden, ", sade Pauzauskie. "Du kan göra ett brett spektrum av nanodiamanter som avger olika färger för avbildningsändamål. Vi kanske också kan använda denna molekylära dopningsmetod för att göra mer komplexa punktdefekter med två eller flera olika dopningsatomer, inklusive helt nya defekter som inte har skapats tidigare."

Förvånande, forskarna upptäckte att deras nanodiamanter också innehöll två andra element som de inte hade för avsikt att introducera – argon som används som tryckmedium och kväve från luften. Precis som kislet som forskarna hade tänkt introducera, kväve- och argonatomerna hade helt införlivats i nanodiamantens kristallstruktur.

Detta är första gången forskare har använt hög temperatur, högtrycksenhet för att införa ett ädelgaselement – ​​argon – i en nanodiamantgitterstruktur. Det är inte lätt att tvinga icke-reaktiva atomer att associera med andra material i en förening.

"Det här var otäckt, en fullständig överraskning, ", sa Pauzauskie. "Men det faktum att argon inkorporerades i nanodiamanterna betyder att denna metod potentiellt är användbar för att skapa andra punktdefekter som har potential att användas i kvantinformationsvetenskaplig forskning."

Forskare hoppas bredvid dopa nanodiamanter avsiktligt med xenon, ännu en ädelgas, för möjlig användning inom områden som kvantkommunikation och kvantavkänning.

Till sist, teamets metod kan också hjälpa till att lösa ett kosmiskt mysterium:nanodiamanter har hittats i yttre rymden, och något där ute – som supernovor eller högenergikollisioner – dopar dem med ädelgaser. Även om metoderna som utvecklats av Pauzauskie och hans team är för att dopa nanodiamanter här på jorden, deras fynd kan hjälpa forskare att lära sig vilka typer av utomjordiska händelser som utlöser kosmisk dopning långt hemifrån.