Bottom-up tilgang kan syntetisere mikroskopiske diamanter til bioimaging, kvanteberegning

Forskere er begejstrede for diamanter - ikke de typer, der pryder smykker, men den mikroskopiske sort, der er mindre end bredden af ​​et menneskehår. Disse såkaldte "nanodiamanter" består næsten udelukkende af kulstof. Men ved at introducere andre elementer i nanodiamantens krystalgitter - en metode kendt som "doping" - kunne forskere producere egenskaber, der er nyttige i medicinsk forskning, beregning og videre.

I et papir udgivet 3. maj i Videnskabens fremskridt , forskere ved University of Washington, U.S. Naval Research Laboratory og Pacific Northwest National Laboratory meddelte, at de kan bruge ekstremt højt tryk og temperatur til at dope nanodiamanter. Holdet brugte denne tilgang til at dope nanodiamanter med silicium, får diamanterne til at lyse dybt rødt - en egenskab, der ville gøre dem nyttige til celle- og vævsbilleddannelse.

Holdet opdagede, at deres metode også kunne dope nanodiamanter med argon, en ædelgas og ikke-reaktivt grundstof relateret til helium fundet i balloner. Nanodiamanter dopet med sådanne elementer kunne anvendes til kvanteinformationsvidenskab - et hurtigt voksende felt, der inkluderer kvantekommunikation og kvanteberegning.

"Vores tilgang lader os bevidst dope andre elementer i diamant nanokrystaller ved omhyggeligt at udvælge de molekylære udgangsmaterialer, der bruges under deres syntese, " sagde den tilsvarende forfatter Peter Pauzauskie, en UW lektor i materialevidenskab og teknik og forsker ved Pacific Northwest National Laboratory.

Der er andre metoder til doping af nanodiamanter, såsom ionimplantation, men denne proces beskadiger ofte krystalstrukturen, og de indførte elementer placeres tilfældigt, hvilket begrænser ydeevne og applikationer. Her, forskerne besluttede ikke at dope nanodiamanterne, efter at de var blevet syntetiseret. I stedet, de dopede de molekylære ingredienser for at lave nanodiamanter med det element, de ønskede at introducere, brugte derefter høj temperatur og tryk til at syntetisere nanodiamanter med de medfølgende elementer.

I princippet, det er som at lave en kage:Det er langt enklere og mere effektivt at tilføje sukker til dejen, i stedet for at forsøge at tilføje sukker til kagen efter bagning.

Holdets udgangspunkt for nanodiamanter var et kulstofrigt materiale - svarende til trækul, sagde Pauzauskie - som forskerne spundet til en letvægter, porøs matrix kendt som en aerogel. De dopede derefter kulstofaerogelen med et siliciumholdigt molekyle kaldet tetraethylorthosilicat, som var kemisk integreret i carbon aerogelen. Forskerne forseglede reaktanterne i pakningen af ​​en diamantamboltcelle, hvilket kunne generere tryk så højt som 15 gigapascal inde i pakningen. Til reference, 1 gigapascal er cirka 10, 000 atmosfæres tryk, eller 10 gange trykket på den dybeste del af havet.

For at forhindre aerogelen i at blive knust ved sådanne ekstreme tryk, de brugte argon, som bliver solid ved 1,8 gigapascal, som trykmedium. Efter at have læsset materialet til højt tryk, forskerne brugte en laser til at opvarme cellen over 3, 100 F, mere end en tredjedel af solens overfladetemperatur. I samarbejde med E. James Davis, en UW professor emeritus i kemiteknik, de så, at ved disse temperaturer smelter det faste argon og danner en superkritisk væske.

Gennem denne proces, kulstof-aerogelen blev omdannet til nanodiamanter indeholdende selvlysende punktdefekter dannet af de siliciumbaserede dopingmolekyler. Nanodiamanterne udsendte et dybrødt lys ved en bølgelængde på omkring 740 nanometer, som er nyttig i medicinsk billeddannelse. Nanodiamanter dopet med andre elementer kan udsende andre farver.

"Vi kan kaste en pil på det periodiske system, og så længe det grundstof, vi rammer, er opløseligt i diamant - kunne vi inkorporere det bevidst i nanodiamanten ved hjælp af denne metode, " sagde Pauzauskie. "Du kunne lave et bredt spektrum af nanodiamanter, der udsender forskellige farver til billeddannelsesformål. Vi kan muligvis også bruge denne molekylære dopingtilgang til at lave mere komplekse punktdefekter med to eller flere forskellige dopingatomer, inklusive helt nye defekter, der ikke er skabt før."

Overraskende nok, forskerne opdagede, at deres nanodiamanter også indeholdt to andre elementer, som de ikke havde til hensigt at introducere – argon brugt som trykmedium og nitrogen fra luften. Ligesom det silicium, som forskerne havde tænkt sig at introducere, nitrogen- og argonatomerne var blevet fuldt inkorporeret i nanodiamantens krystalstruktur.

Dette er første gang, forskere har brugt høj temperatur, højtrykssamling for at indføre et ædelgaselement - argon - i en nanodiamantgitterstruktur. Det er ikke let at tvinge ikke-reaktive atomer til at associere med andre materialer i en forbindelse.

"Dette var serendipitalt, en komplet overraskelse, " sagde Pauzauskie. "Men det faktum, at argon blev inkorporeret i nanodiamanterne, betyder, at denne metode er potentielt nyttig til at skabe andre punktdefekter, der har potentiale til brug i kvanteinformationsforskning."

Forskere håber ved siden af ​​dope nanodiamanter bevidst med xenon, endnu en ædelgas, til mulig brug inden for områder som kvantekommunikation og kvantesansning.

Endelig, holdets metode kunne også hjælpe med at løse et kosmisk mysterium:Nanodiamanter er blevet fundet i det ydre rum, og noget derude – såsom supernovaer eller højenergikollisioner – doper dem med ædelgasser. Selvom metoderne udviklet af Pauzauskie og hans team er til doping af nanodiamanter her på jorden, deres resultater kunne hjælpe videnskabsmænd med at lære, hvilke typer af udenjordiske begivenheder, der udløser kosmisk doping langt hjemmefra.