Att belägga något sällsynt - små diamantskärvor - med huvudingrediensen i sand kan låta ovanligt, men slutresultatet visar sig ha ett antal värdefulla tillämpningar. Tricket är att ingen vet säkert hur de två materialen binder sig.
Nu rapporterar forskare från San Jose State University (SJSU) i tidskriften ACS Nanoscience Au att alkoholkemiska grupper på en diamants yta är ansvariga för användbart enhetliga kiseldioxidskal, ett resultat som kan hjälpa dem att skapa bättre kiseldioxidbelagda nanodiamanter – små verktyg med tillämpningar från biomärkning av cancerceller till kvantavkänning.
Teamet avslöjade bindningsmekanismen tack vare kraftfulla röntgenstrålar genererade av Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL) vid DOE:s SLAC National Accelerator Laboratory.
"Nu när vi känner till de här finare detaljerna - hur bindningen fungerar istället för att bara gissa - kan vi bättre utforska nya diamanthybridsystem", säger Abraham Wolcott, studiens huvudutredare och en SJSU-professor.
Mycket av Wolcotts arbete handlar om nanodiamanter, syntetiska diamanter krossade i bitar så små att du skulle behöva 40 000 av dem för att sträcka sig över bredden på ett enda människohår. Teoretiskt sett har nanodiamanter perfekta kolgitter, men ibland smyger sig en kväveatom in och ersätter en kolatom bredvid en saknad kolatom. Det är tekniskt sett en defekt, men det är användbart – defekten reagerar på magnetfält, elektriska fält och ljus, allt vid rumstemperatur, vilket innebär att nanodiamanter har många användningsområden.
De kan användas som qubits, grundenheten för en kvantdator. Slå dem med grönt ljus, och de lyser rött, så biologer kan placera dem i levande celler och spåra dem när de rör sig. Men forskare kan inte enkelt programmera nanodiamanter att gå dit de vill, och diamantkanterna är spetsiga och kan spricka cellmembran.
Att belägga dem med kiseldioxid löser båda problemen. Kiseldioxid bildar ett slätt, enhetligt skal som täcker de vassa kanterna. Det skapar också en modifierbar yta, som forskare kan dekorera med taggar för att rikta partiklarna mot specifika celler, som cancerceller eller neuroner. "Diamanten med kiseldioxidskal blir ett kontrollerbart system," sa Wolcott.
Men under en tid, sa Wolcott, har forskare varit oense om hur det skalet bildas. Hans team visade att ammoniumhydroxid med etanol, kemikalier som normalt ingår i beläggningsprocessen, producerar många alkoholgrupper på nanodiamantytan, och dessa alkoholer underlättar tillväxten av skalet.
"Ingen kunde förklara det på över 10 år," sa Wolcott, "men vi kunde reta ut den informationen."
Efter att ha studerat partiklarna med transmissionselektronmikroskop vid DOE:s Lawrence Berkeley National Laboratory Molecular Foundry, sköt forskarna SSRL-röntgenstrålar på nanodiamanter för att utforska de ytor som gömts under kiseldioxidbeläggningen.
SSRL:s övergångskantsensor – en superkänslig termometer som samlar in temperaturförändringar och omvandlar dem till röntgenenergier – avslöjade vilka kemiska grupper som fanns på nanodiamanternas ytor.
Med hjälp av en andra teknik - röntgenabsorptionsspektroskopi (XAS) - genererade teamet mobila elektroner på nanodiamantytan, och fångade dem sedan när de reste genom kiseldioxidskalet och flydde. Ju tjockare beläggning, desto färre elektroner kom upp till ytan. Signalerna fungerade som ett litet måttband, som visade tjockleken på kiseldioxidbeläggningen på nanometerskalan.
"XAS är kraftfullt eftersom du kan upptäcka något som är nedsänkt, som är dolt - som diamant under ett kiseldioxidskal," sa Wolcott. "Folk har aldrig gjort det här med nanodiamanter tidigare, så förutom att ta reda på bindningsmekanismen har vi också visat att XAS är användbart för materialforskare och kemister."
I framtiden vill Wolcott, som är känd för att ge praktiska forskningsmöjligheter, sätta studenter i arbete med att belägga nanodiamanter med andra material. Titan, zink och andra metalloxider kan till exempel öppna nya vägar inom kvantavkänning och biologiska märkningstillämpningar.
"Nanodiamanter är otroliga mikroverktyg med omedelbara tillämpningar", säger Karen Lopez, en biomedicinsk ingenjörs doktor. student vid University of California, Irvine som, liksom de andra SJSU-författarna, arbetade med studien som grundutbildning. "Nu när vi förstår hur kiseldioxidskalet bildas kan vi börja optimera det och expandera till andra typer av material."
Mer information: Perla J. Sandoval et al, Quantum Diamonds at the Beach:Chemical Insights into Silica Growth on Nanoscale Diamond using Multimodal Characterization and Simulation, ACS Nanoscience Au (2023). DOI:10.1021/acsnanoscienceau.3c00033
Tillhandahålls av SLAC National Accelerator Laboratory
