Blinkede nanodiamanter er kun en fase, forskerholdet finder

Diamant kan kun være en fase, kulstof går igennem, når den udsættes for et varmeglimt, men det gør det meget nemmere at få fat i.

Kemikeren James Tours Rice University-laboratorium er nu i stand til at "udvikle" kulstof gennem faser, der inkluderer værdifuld nanodiamant, ved at kontrollere den flash-joule-opvarmningsproces, de udviklede for 18 måneder siden.

Bedst af alt, de kan stoppe processen efter behag for at få det produkt, de ønsker.

I tidsskriftet American Chemical Society ACS Nano, forskerne, ledet af Tour og kandidatstuderende og hovedforfatter Weiyin Chen, viser, at tilsætning af organiske fluorforbindelser og fluorid-forstadier til elementært kønrøg gør det til flere svært tilgængelige allotroper, når det blinker, herunder fluorerede nanodiamanter, fluoreret turbostratisk grafen og fluoreret koncentrisk kulstof.

Med flash-processen introduceret i 2020, et kraftigt stød af elektricitet kan omdanne kulstof fra næsten enhver kilde til lag af uberørt turbostratisk grafen på mindre end et sekund. ("Turbostratisk" betyder, at lagene ikke er stærkt bundet til hinanden, gør dem nemmere at adskille i en løsning.)

Det nye arbejde viser, at det er muligt at ændre, eller funktionalisere, produkterne på samme tid. Varigheden af ​​blitzen, mellem 10 og 500 millisekunder, bestemmer den endelige carbonallotrop.

Vanskeligheden ligger i, hvordan man bevarer fluoratomerne, da den ultrahøje temperatur forårsager fordampning af alle andre atomer end kulstof. For at overvinde problemet, holdet brugte et teflonrør forseglet med grafitafstandsstykker og højsmeltende wolframstænger, som kan holde reaktanten inde og undgå tab af fluoratomer under den ultrahøje temperatur. Det forbedrede forseglede rør er vigtigt, sagde Tour.

"I industrien, der har været en langvarig brug af små diamanter i skærende værktøjer og som elektriske isolatorer, " sagde han. "Den fluorerede version her giver en vej til ændringer af disse strukturer. Og der er stor efterspørgsel efter grafen, mens den fluorerede familie er nyproduceret her i løs form."

Nanodiamanter er mikroskopiske krystaller - eller områder af krystaller - der viser det samme kulstof-atomgitter, som diamanter i makroskala gør. Da den første gang blev opdaget i 1960'erne, de blev lavet under varme og højt tryk fra detonationer.

I de seneste år, forskere har fundet kemiske processer til at skabe de samme gitter. En rapport fra risteoretikeren Boris Yakobson sidste år viste, hvordan fluor kan hjælpe med at lave nanodiamant uden højt tryk, og Tours eget laboratorium demonstrerede at bruge pulserende lasere til at omdanne teflon til fluoreret nanodiamant.

Nanodiamanter er meget ønskværdige til elektronikapplikationer, da de kan dopes til at fungere som halvledere med bred båndgab, vigtige komponenter i den nuværende forskning udført af Rice og Army Research Laboratory.

Den nye proces forenkler dopingdelen, ikke kun for nanodiamanter, men også for de andre allotroper. Tour sagde, at rislaboratoriet udforsker brugen af ​​bor, fosfor og nitrogen også som tilsætningsstoffer.

Ved længere blinktider, forskerne fik nanodiamanter indlejret i koncentriske skaller af fluorholdigt kulstof. Endnu længere eksponering konverterede diamanten helt til skaller, udefra og ind.

"De koncentriske skalstrukturer er blevet brugt som smøremiddeladditiver, og denne flashmetode kan give en billig og hurtig rute til disse formationer, " sagde Tour.

Medforfattere til papiret er Rice kandidatstuderende John Tianci Li, Zhe Wang, Wala Algozeeb, Emily McHugh, Kevin Wyss, Paul Advincula, Jacob Beckham og Bo Jiang, forsker Carter Kittrell og alumni Duy Xuan Luong og Michael Stanford. Tour er T.T. og W.F. Chao Chair i kemi samt professor i datalogi og i materialevidenskab og nanoteknik ved Rice.