Ett schema som visar modellerna som används i detta arbete för att simulera tillväxt från korn som sås på substrat innan tillväxt. Forskarna tittade på tillväxten av både slutna filmer och porösa filmer. Kredit:OIST
I dagens samhällen leder ordet "diamant" tankarna till en serie bilder. Det innebär berättelser om styrka, rikedom och status. Men ta bort dessa associationer, och de vetenskapliga användningarna av materialet avslöjas. Diamanter är transparenta, extremt stela och utgör ingen fara för levande vävnad. Nyligen har forskare börjat odla ultratunna polykristallina diamantfilmer i laboratorier. Dessa filmer, som har många egenskaper hos diamantpärlor, kan ha ett antal biomedicinska och sensorapplikationer. Dessutom, eftersom de är gjorda av kol, kräver de inga dyra eller svåra att få tag på material.
Personalforskaren Dr. Stoffel Janssens, från Mekanik- och materialenheten vid Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST), har simulerat tillväxten av både porösa och slutna polykristallina diamantfilmer. Porösa diamantfilmer - de med hål utspridda i filmen - skulle en dag kunna användas som plattformar för att odla neuroner och andra celler. Simuleringarna var en framgång, avslöjade intressanta geometriska strukturer i filmerna och resulterade i en publicering i Acta Materialia .
"Simuleringarna har gett oss en lovande bild av vad vi skulle kunna göra i vårt labb," förklarade Dr. Janssens. "Porösa filmer kräver för närvarande komplicerade tekniker att göra. Vi vill kunna skapa dem på ett enkelt och kostnadseffektivt sätt. Simuleringarna har belyst hur länge vi ska odla filmerna, hur stora kornen ska vara och vad vi kan förvänta oss av resultaten."
För att odla polykristallina diamantfilmer sås nano-diamantkorn på ett substrat. Under de rätta förhållandena kommer dessa korn att växa till kolumnformade diamantkristalliter som sedan expanderar för att ansluta till varandra. Med tiden förstärks dessa kopplingar, vilket resulterar i ett robust material. De tvådimensionella simuleringarna gjorde det möjligt för Dr. Janssens och hans medarbetare att observera de detaljerade konsekvenserna av att variera kornstorleken och den initiala kornfördelningen. De fann att när en diamantfilm växer skapar korngränserna som bildas mellan kornen ett välkänt diagram.
"Det kallas Voronoi-diagrammet," förklarade Dr. Janssens. "Det är känt för forskare inom många olika områden inom vetenskap och ingenjörsvetenskap - från biologer som modellerar cellulära och benstrukturer till epidemiologer som vill identifiera källan till en infektion till ekologer som studerar tillväxtmönster för skogstak."
När forskarna ändrade korndensiteten uppstod olika varianter av diagrammet. Simuleringarna visar att en hög initial densitet av korn leder till ett diagram som liknar ett bikakemönster med porer som är jämnt fördelade över filmen, medan en lägre initial täthet av korn leder till porfördelningar som är mindre enhetliga.
Dr. Janssens undersökte också de topologiska övergångar som sker i olika stadier under tillväxten av en film. Den första anmärkningsvärda övergången inträffar när alla korn är sammankopplade och bildar en porös film. Den andra anmärkningsvärda övergången inträffar när kornen är starkt förbundna och bildar en sluten film utan nålhål. Med utgångspunkt i sina simuleringar undersökte forskarna överlevnadsgraden för pinholes och utforskade strategier för att minimera risken för pinholes i en sluten sluten film.
"Simuleringarna av polykristallina diamantfilmer bidrar till området för kontinuumperkolationsteori", förklarade prof. Eliot Fried, huvudforskare vid OIST:s Mekanik- och materialenhet. "Förutom att ge praktiska insikter som borde bidra till en effektiv tillväxt av dessa filmer i laboratoriemiljö, har denna forskning förbättrat vår förståelse av underliggande topologiska och geometriska problem relaterade till tillväxten av polykristallina filmer av diamant och olika andra material. Vi ser fram emot att tillämpa våra resultat mot utvecklingen av filmer som kan användas för biomedicinsk vetenskap, kvantutrustning och andra tillämpningar." + Utforska vidare
