Vokser ekstremt små diamanter af ensartet størrelse – uden sprængstoffer

Diamanter er ikke kun glitrende, glitrende ædelstene til smykker. De mindste, kun et par nanometer brede, er også afgørende for medicinafgivelse, sensorer og kvantecomputerprocessorer. At producere diamantnanopartikler, der er konsekvente størrelser, er vigtigt for disse teknologiers succes. Nu rapporterer forskere om en metode til at dyrke ultraensartede nanodiamanter uden behov for sprængstoffer. Teknikken kunne også bruges til at tilføje gavnlige enkeltatomdefekter i ellers perfekte krystaller.

Forskerne vil præsentere deres resultater i dag på forårsmødet i American Chemical Society (ACS).

"Det er fascinerende, at selvom en diamant er kemisk ret simpel - den er ét element, kulstof - er det ekstremt vanskeligt at gøre dette materiale på nanometerskalaen," siger Hao Yan, Ph.D., projektets hovedefterforsker.

Kulstof bliver en diamant, når atomer af dette element er arrangeret i et stift 3D kubisk mønster under højtryks- og højtemperaturforhold. Forskere har tidligere skabt nanodiamanter i laboratoriet ved at detonere et sprængstof, såsom trinitrotoluen (kendt som TNT), i en forseglet beholder af rustfrit stål. Sprængningen omdanner kulstoffet i det eksplosive materiale til bittesmå diamantpartikler. Men denne rå metode er svær at kontrollere, forklarer Yan. Krystallerne, der dannes, er ujævne i størrelse, hvilket kræver yderligere trin for at sortere dem efter forskellige teknologier.

For at udtænke en mere præcis måde at lave nanodiamanter på, undersøgte Yans gruppe ved University of North Texas den kemi, som naturen bruger. "Vi indså, at steder, hvor diamanter er dannet i jordens kappe, indeholder en masse jern og jern-carbon-forbindelser, herunder carbider og carbonater," siger Yan. Og når jerncarbid reagerer med jernoxid mellem skorpen og den øvre kappe, vokser diamanter.

Bevæbnet med denne viden designede Tengteng Lyu, en kandidatstuderende i Yans laboratorium, som præsenterer deres arbejde på mødet, en kemisk proces til at efterligne det litosfæriske miljø, der findes under Jordens overflade. Først skabte Lyu ensartede nanopartikler af jerncarbid som kulstofkilde til diamanterne. De små partikler var spredt rundt i en jernoxidmatrix, som om jerncarbiden var chokoladestykker i småkagedej.

Derefter placerede Lyu kulstof-precursor-"dejen" i et højtryks- og højtemperaturmiljø, svarende til forholdene på steder, hvor naturlige diamanter dannes. Forbindelserne reagerede, og det resulterede i meget ensartede nanodiamanter. Den nye metode gør krystaller så små som 2 nm brede med forskelle mellem dem på mindre end en nanometer. Yan siger, at dette er en størrelsesorden bedre, end nogen kan gøre uden yderligere postsyntetisk behandling eller oprensningstrin.

At skabe ensartede, perfekte nanodiamanter er fantastisk, siger Yan, men disse materialer kan være endnu mere nyttige, når de har defekter, såsom tomme pletter i diamantens struktur og udskiftning af nabokulstofatomer med nitrogen, silicium, nikkel eller et andet grundstof. Fordi de ikke-carbonatomer farver materialet lidt, kaldes de "farvecentre". Nanopartikler med kun ét farvecenter er yderst ønskelige, fordi de sikkert kan lagre information i kvantecomputere og telekommunikationsenheder.

Traditionelt bruges en højenergistråle af atomer, såsom nitrogen eller silicium, til at bombardere diamanten og indlejre disse elementer i krystallens struktur. Denne metode kan dog ikke kontrollere, hvor mange farvecentre der føjes til en diamant, hvilket kræver efterbehandlingstrin for at få krystaller med en enkeltatom-defekt. Derudover, ifølge Lyus omfattende beregningsmodelleringsarbejde, når diametrene af diamanter krymper til 2-3 nm - det størrelsesområde, som Yans team nu kan lave konsekvent - bliver denne atomstråletilgang energetisk ugunstig. Men med deres nye metode tror Yan, at de kunne designe en måde at erstatte et kulstof af de tusinder, der er til stede i deres kulstof-precursor "dej". Han vurderer, at de nu kunne lave nok ensfarvede center nanodiamanter til et par tusinde kvantecomputere med ét synteseeksperiment, selvom de små krystaller skulle arrangeres ordentligt, før der kunne foretages beregninger.

"Vi har nu en ideel platform til at udtænke en måde at lave en ensfarvet center nanodiamant på, som er et gennembrud for en række diamantrelaterede teknologier. Men også i bredere forstand ville det være en fascinerende demonstration af, hvordan du kan kontrollere et enkelt atom i en meget større struktur," siger Yan. + Udforsk yderligere

Nye kvanteregistreringsmuligheder med ikke-lineær optik af diamanter