Forskare har utvecklat en metod för att odla ultralikformiga nanodiamanter (skalan är 5 nm) utan att använda sprängämnen. Kredit:Tengteng Lyu
Diamanter är inte bara glittrande, glittrande ädelstenar för smycken. De minsta, bara några nanometer breda, är också avgörande för läkemedelstillförsel, sensorer och kvantdatorprocessorer. Att producera diamantnanopartiklar med konsekvent storlek är viktigt för framgången för dessa teknologier. Nu rapporterar forskare en metod för att odla ultralikformiga nanodiamanter utan behov av sprängämnen. Tekniken kan också användas för att lägga till fördelaktiga enatomsdefekter i annars perfekta kristaller.
Forskarna kommer att presentera sina resultat idag vid American Chemical Societys (ACS) vårmöte.
"Det är fascinerande att även om en diamant är kemiskt ganska enkel - den är ett element, kol - är det extremt svårt att göra detta material på nanometerskala", säger Hao Yan, Ph.D., projektets huvudutredare.
Kol blir en diamant när atomer av detta element arrangeras i ett styvt 3D-kubiskt mönster under högt tryck och hög temperatur. Forskare har tidigare skapat nanodiamanter i labbet genom att detonera ett sprängämne, såsom trinitrotoluen (känd som TNT), i en förseglad behållare av rostfritt stål. Sprängningen omvandlar kolet i det explosiva materialet till små diamantpartiklar. Men den här råa metoden är svår att kontrollera, förklarar Yan. Kristallerna som bildas är ojämna i storlek, vilket kräver ytterligare steg för att sortera dem efter olika tekniker.
För att ta fram ett mer exakt sätt att göra nanodiamanter, undersökte Yans grupp vid University of North Texas kemin som naturen använder. "Vi insåg att platser där diamanter bildas i jordens mantel innehåller mycket järn och järn-kolföreningar, inklusive karbider och karbonater", säger Yan. Och när järnkarbid reagerar med järnoxid mellan skorpan och den övre manteln växer diamanter.
Beväpnad med denna kunskap designade Tengteng Lyu, en doktorand i Yans labb som presenterar sitt arbete på mötet, en kemisk process för att imitera den litosfäriska miljön som finns under jordens yta. Först skapade Lyu jämnstora nanopartiklar av järnkarbid som kolkälla för diamanterna. De små partiklarna var prickade genom en järnoxidmatris, som om järnkarbiden var chokladbitar i kakdegen.
Sedan placerade Lyu kol-prekursor-"degen" i en miljö med högt tryck och hög temperatur, liknande förhållandena på platser där naturliga diamanter bildas. Föreningarna reagerade, och mycket enhetliga nanodiamanter resulterade. Den nya metoden gör kristaller så små som 2 nm breda med skillnader mellan dem på mindre än en nanometer. Yan säger att detta är en storleksordning bättre än någon annan kan göra utan ytterligare eftersyntetisk behandling eller reningssteg.
Att skapa enhetliga, perfekta nanodiamanter är fantastiskt, säger Yan, men dessa material kan vara ännu mer användbara när de har defekter, som tomma fläckar i diamantens struktur och ersättning av närliggande kolatomer med kväve, kisel, nickel eller annat grundämne. Eftersom de icke-kolatomer färgar materialet något kallas de "färgcentra". Nanopartiklar med endast ett färgcentrum är mycket önskvärda eftersom de säkert kan lagra information i kvantdatorer och telekommunikationsenheter.
Traditionellt används en högenergistråle av atomer, såsom kväve eller kisel, för att bombardera diamanten och bädda in dessa element i kristallens struktur. Den här metoden kan dock inte kontrollera hur många färgcentra som läggs till en diamant, vilket kräver efterbearbetningssteg för att få kristaller med en enatomsdefekt. Dessutom, enligt Lyus omfattande beräkningsmodelleringsarbete, när diametrarna på diamanter krymper till 2-3 nm – storleksintervallet som Yans team nu kan göra konsekvent – blir denna atomstrålemetod energiskt ogynnsam. Men med sin nya metod tror Yan att de skulle kunna designa ett sätt att ersätta ett kol av de tusentals som finns i deras kol-prekursor "deg". Han uppskattar att de nu skulle kunna göra tillräckligt med enfärgade nanodiamanter för ett par tusen kvantdatorer med ett syntesexperiment, även om de små kristallerna skulle behöva ordnas ordentligt innan beräkningar kunde göras.
"Vi har nu en idealisk plattform för att ta fram ett sätt att göra en enfärgad nanodiamant i centrum, vilket är ett genombrott för ett antal diamantrelaterade teknologier. Men det skulle också, i en bredare mening, vara en fascinerande demonstration av hur du kan kontrollera en enda atom i en mycket större struktur", säger Yan. + Utforska vidare
