Nanodiamantproduktion under omgivende forhold åbner døren for fleksibel elektronik, implantater og meget mere

I stedet for at skulle bruge tonsvis af knusende kraft og vulkansk varme til at smede diamanter, forskere ved Case Western Reserve University har udviklet en måde til billigt at fremstille nanodiamanter på en laboratoriebænk ved atmosfærisk tryk og nær stuetemperatur.

Nanodiamanterne er dannet direkte af en gas og kræver ingen overflade at vokse på.

Opdagelsen lover mange anvendelser inden for teknologi og industri, såsom belægning af plast med ultrafint diamantpulver og fremstilling af fleksibel elektronik, implantater, medicinudleveringsanordninger og flere produkter, der udnytter diamantens enestående egenskaber.

Deres undersøgelse er offentliggjort i dag i det videnskabelige tidsskrift Naturkommunikation . Resultaterne bygger på en tradition for diamantforskning ved Case Western Reserve.

Ud over dets applikationer, opdagelsen kan give et indblik i vores univers:en forklaring på, hvordan nanodiamanter set i rummet og fundet i meteoritter kan blive dannet.

"Dette er ikke en kompleks proces:ethanoldamp ved stuetemperatur og tryk omdannes til diamant, " sagde Mohan Sankaran, lektor i kemiteknik ved Case Western Reserve og leder af projektet. "Vi strømmer gassen gennem et plasma, tilsæt brint og ud kommer diamantnanopartikler. Vi kan sætte det sammen og lave dem i næsten ethvert laboratorium."

Processen til fremstilling af disse små "for evigt sten" vil ikke smelte plastik, så den er velegnet til visse højteknologiske applikationer. Diamant, kendt for at være hård, har fremragende optiske egenskaber og den højeste lydhastighed og varmeledningsevne af ethvert materiale.

I modsætning til den anden form for kulstof, grafit, diamant er en halvleder, ligner silicium, som er det dominerende materiale i elektronikindustrien, og galliumarsenid, som bruges i lasere og andre optiske enheder.

Selvom processen er enkel, Det tog tid at finde de rigtige koncentrationer og flows – det forskerne kalder "sweet spot".

De andre involverede forskere var postdoc-forsker Ajay Kumar, Ph.d.-studerende Pin Ann Lin, og bachelorstuderende Albert Xue, af Case Western Reserve; og fysikprofessor Yoke Khin Yap og kandidatstuderende Boyi Hao, fra Michigan Technical University.

Sankaran og John Angus, professor emeritus i kemiteknik, kom op med ideen om at dyrke nanodiamanter uden varme eller tryk for omkring otte år siden. Angus' forskning i 1960'erne og 1970'erne fik ham og andre til at udtænke en måde at dyrke diamantfilm ved lavt tryk og høj temperatur, en proces kendt som kemisk dampaflejring, der nu bruges til at lave belægninger på computerdiske og barberblade. Sankarans specialitet, i mellemtiden, laver nanopartikler ved hjælp af seje mikroplasmaer.

Det kræver normalt høje tryk og høje temperaturer at omdanne grafit til diamant eller en kombination af brintgas og et opvarmet substrat for at dyrke diamant frem for grafit.

"Men på nanoskalaen, overfladeenergi gør diamant mere stabil end grafit, " Sankaran forklarede. "Vi tænkte, at hvis vi kunne nukleere kulstofklynger i gasfasen, der var mindre end 5 nanometer, de ville være diamant i stedet for grafit selv ved normalt tryk og temperatur."

Efter flere op- og nedture med indsatsen, processen kom sammen, da Kumar sluttede sig til Sankarans laboratorium. Ingeniørerne producerede diamant meget ligesom de ville producere kulstofsod.

De skaber først et plasma, som er en tilstand af stof, der ligner en gas, men en del bliver ladet, eller ioniseret. En gnist er et eksempel på et plasma, men det er varmt og ukontrollerbart.

For at komme til køligere og sikrere temperaturer, de ioniserede argongas, da den blev pumpet ud af et rør med en hårbredde i diameter, skabe et mikroplasma. De pumpede ethanol - kilden til kulstof - gennem mikroplasmaet, hvor, ligner at brænde brændstof, kulstof bryder fri fra andre molekyler i gassen, og giver partikler på 2 til 3 nanometer, små nok til at de bliver til diamanter.

På mindre end et mikrosekund de tilsætter brint. Elementet fjerner kulstof, der ikke er blevet til diamant, mens det samtidig stabiliserer diamantpartikeloverfladen.

Den dannede diamant er ikke de store perfekte krystaller, der bruges til at lave smykker, men er et pulver af diamantpartikler. Sankaran og Kumar laver nu konsekvent diamanter af høj kvalitet med en gennemsnitlig diameter på 2 nanometer.

Forskerne brugte omkring et år på at teste for at bekræfte, at de producerede diamanter, og at processen kunne replikeres, sagde Kumar. Holdet lavede forskellige tests selv og bragte Yaps laboratorium til at analysere nanopartiklerne ved Raman-spektroskopi.

I øjeblikket, nanodiamanter fremstilles ved at detonere et sprængstof i en reaktorbeholder for at give varme og tryk. Diamantpartiklerne skal derefter fjernes og renses for forurenende elementer, der er samlet omkring dem. Processen er hurtig og billig, men nanodiamanterne samler sig og er af varierende størrelse og renhed.

Den nye forskning giver lovende konsekvenser. Nanodiamanter, for eksempel, bliver testet for at bære medicin til tumorer. Fordi diamant ikke er anerkendt som en angriber af immunsystemet, det fremkalder ikke modstand, hovedårsagen til, at kemoterapi mislykkes.

Sankaran sagde, at hans nanodiamanter kan tilbyde et alternativ til diamanter fremstillet ved detonationsmetoder, fordi de er renere og mindre.

Gruppens proces producerer tre slags diamanter:omkring halvdelen er kubiske, samme struktur som diamanter, en lille procentdel er en form, der mistænkes for at have brint fanget indeni, og omkring halvdelen er lonsdaleite, en sekskantet form, der findes i interstellart støv, men sjældent findes på Jorden.

En nylig artikel i bladet Fysiske anmeldelsesbreve antyder, at når interstellart støv kolliderer, så højt tryk er involveret, at det grafitiske kulstof bliver til londsdaleite nanodiamanter.

Sankaran og Kumar hævder, at et alternativ uden højtrykskrav, såsom deres metode, bør overvejes, også.

"Måske laver vi diamant på den måde, diamant nogle gange fremstilles i det ydre rum, " Sankaran foreslog. "Ethanol og plasma findes i det ydre rum, og vores nanodiamanter svarer i størrelse og struktur til dem, der findes i rummet."

Gruppen undersøger nu, om den kan finjustere processen for at kontrollere, hvilken form for diamant der laves, analysere strukturerne og afgøre, om de hver især har forskellige egenskaber. Lonsdaleite, for eksempel, er hårdere end kubisk diamant.

Forskerne har lavet en slags nanodiamant spraymaling. "Vi kan gøre dette i et enkelt trin, ved at sprøjte nanodiamanterne, når de produceres ud af plasmaet og renses med brint, at belægge en overflade, " sagde Kumar.

Og de arbejder på at skalere processen op til industriel brug.

"Vil de være i stand til at opskalere? Det er altid en lorteoptagelse, " sagde Angus. "Men jeg tror, ​​det kan lade sig gøre, og til meget høje priser og billigt. Ultimativt, det kan tage nogle år at nå dertil, men der er ingen teoretisk grund til, at det ikke kan lade sig gøre."

Hvis den opskalerede proces er lige så enkel og billig som laboratorieprocessen, industrien vil finde mange anvendelsesmuligheder for produktet, sagde Sankaran.