Diamant kan bara vara en fas som kol går igenom när den utsätts för en värmeblixt, men det gör det mycket lättare att få tag på.

Rice University-labbet av kemisten James Tour kan nu "utveckla" kol genom faser som inkluderar värdefull nanodiamant genom att noggrant kontrollera flash-Joule-uppvärmningsprocessen som de utvecklade för 18 månader sedan.

Bäst av alla, de kan stoppa processen efter behag för att få den produkt de vill ha.

I tidskriften American Chemical Society ACS Nano, forskarna, ledd av Tour och doktorand och huvudförfattare Weiyin Chen, visa att tillsats av organiska fluorföreningar och fluorprekursorer till elementärt kimrök förvandlar det till flera svåråtkomliga allotroper när det blinkar, inklusive fluorerade nanodiamanter, fluorerat turbostratisk grafen och fluorerat koncentriskt kol.

Med flashprocessen som introducerades 2020, en kraftig stöt av elektricitet kan förvandla kol från nästan vilken källa som helst till lager av orörd turbostratisk grafen på mindre än en sekund. ("Turbostratisk" betyder att lagren inte är starkt bundna till varandra, vilket gör dem lättare att separera i en lösning.)

Det nya verket visar att det är möjligt att ändra, eller funktionalisera, produkterna samtidigt. Blixtens varaktighet, mellan 10 och 500 millisekunder, bestämmer den slutliga kolallotropen.

Svårigheten ligger i hur man bevarar fluoratomerna, eftersom den ultrahöga temperaturen orsakar förångning av alla andra atomer än kol. För att övervinna problemet, teamet använde ett teflonrör förseglat med grafitdistanser och volframstavar med hög smältpunkt, som kan hålla reaktanten inuti och undvika förlust av fluoratomer under den ultrahöga temperaturen. Det förbättrade förseglade röret är viktigt, sa Tour.

"Inom industrin, det har funnits en långvarig användning av små diamanter i skärande verktyg och som elektriska isolatorer, " sade han. "Den fluorerade versionen här ger en väg till modifieringar av dessa strukturer. Och det finns en stor efterfrågan på grafen, medan den fluorerade familjen är nyproducerad här i bulkform."

Nanodiamanter är mikroskopiska kristaller - eller regioner av kristaller - som visar samma kolatomgitter som diamanter i makroskala. När den först upptäcktes på 1960-talet, de gjordes under värme och högt tryck från detonationer.

På senare år har forskare har hittat kemiska processer för att skapa samma galler. En rapport från risteoretikern Boris Yakobson förra året visade hur fluor kan hjälpa till att göra nanodiamant utan högt tryck, och Tours eget labb demonstrerade att använda pulsade lasrar för att förvandla teflon till fluorerad nanodiamant.

Nanodiamanter är mycket önskvärda för elektroniktillämpningar, eftersom de kan dopas för att fungera som halvledare med breda bandgap, viktiga komponenter i aktuell forskning av Rice och Army Research Laboratory.

Den nya processen förenklar dopingdelen, inte bara för nanodiamanter utan även för de andra allotroperna. Tour sa att rislabbet undersöker användningen av bor, fosfor och kväve som tillsatser också.

Vid längre blixttider, forskarna fick nanodiamanter inbäddade i koncentriska skal av fluorerat kol. Ännu längre exponering omvandlade diamanten helt till skal, från utsidan och in.

"De koncentriska skalstrukturerna har använts som smörjmedelstillsatser, och den här flashmetoden kan ge en billig och snabb väg till dessa formationer, " sa Tour.

Medförfattare till uppsatsen är Rice doktorander John Tianci Li, Zhe Wang, Wala Algozeeb, Emily McHugh, Kevin Wyss, Paul Advincula, Jacob Beckham och Bo Jiang, forskaren Carter Kittrell och alumnerna Duy Xuan Luong och Michael Stanford. Turnén är T.T. och W.F. Chao Chair i kemi samt professor i datavetenskap och i materialvetenskap och nanoteknik vid Rice.