Druk af den perfekte diamant:Simuleringer afslører interessante geometriske mønstre

I nutidens samfund leder ordet "diamant" tankerne hen på en række billeder. Det medfører historier om styrke, rigdom og status. Men fjern disse associationer, og de videnskabelige anvendelser af materialet afsløres. Diamanter er gennemsigtige, ekstremt stive og udgør ikke nogen fare for levende væv. For nylig er forskere begyndt at dyrke ultratynde polykrystallinske diamantfilm i laboratorier. Disse film, som har mange af egenskaberne af diamant ædelstene, kunne have en række biomedicinske og sensorapplikationer. Da de er lavet af kulstof, kræver de desuden ingen dyre eller vanskeligt tilgængelige materialer.

Stabsforsker Dr. Stoffel Janssens fra Mechanics and Materials Unit ved Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST) har simuleret væksten af ​​både porøse og lukkede polykrystallinske diamantfilm. Porøse diamantfilm - dem med huller spredt ud over filmen - kunne en dag bruges som platforme til dyrkning af neuroner og andre celler. Simuleringerne var en succes og afslørede interessante geometriske strukturer i filmene og resulterede i en publikation i Acta Materialia .

"Simuleringerne har givet os et lovende billede af, hvad vi måske kan gøre i vores laboratorium," forklarede Dr. Janssens. "Porøse film kræver i øjeblikket komplicerede teknikker at lave. Vi ønsker at kunne skabe dem på en enkel og omkostningseffektiv måde. Simuleringerne har belyst, hvor længe vi skal dyrke filmene, hvor store kornene skal være, og hvad vi kan forvente af resultaterne."

For at dyrke polykrystallinske diamantfilm, sås nano-diamantkorn på et substrat. Under de rigtige forhold vil disse korn vokse til søjleformede diamantkrystallitter, som derefter udvider sig for at forbinde med hinanden. Over tid forstærkes disse forbindelser, hvilket resulterer i et robust materiale. De todimensionelle simuleringer gjorde det muligt for Dr. Janssens og hans samarbejdspartnere at observere de detaljerede konsekvenser af at variere kornstørrelsen og den indledende kornfordeling. De fandt ud af, at når en diamantfilm vokser, skaber korngrænserne, der dannes mellem kornene, et velkendt diagram.

"Det kaldes Voronoi-diagrammet," forklarede Dr. Janssens. "Det er kendt af forskere på tværs af mange forskellige områder inden for videnskab og teknik – fra biologer, der modellerer cellulære og knoglestrukturer til epidemiologer, der ønsker at identificere kilden til en infektion, til økologer, der studerer vækstmønstrene for skovkroner."

Da forskerne ændrede korntætheden, opstod forskellige variationer af diagrammet. Simuleringerne viser, at en høj initial tæthed af korn fører til et diagram, der ligner et bikagemønster med porer, der er ensartet fordelt over filmen, hvorimod en lavere initial tæthed af korn fører til porefordelinger, der er mindre ensartede.

Dr. Janssens undersøgte også de topologiske overgange, der forekommer på forskellige stadier under væksten af ​​en film. Den første bemærkelsesværdige overgang sker, når alle kornene er forbundet og danner en porøs film. Den anden bemærkelsesværdige overgang opstår, når kornene er stærkt forbundet og danner en lukket film uden nålehuller. Med udgangspunkt i deres simuleringer undersøgte forskerne overlevelsesraten for nålehullerne og undersøgte strategier til at minimere chancen for, at der er huller i en endelig lukket film.

"Simuleringerne af polykrystallinske diamantfilm bidrager til området for kontinuumperkolationsteori," forklarede Prof. Eliot Fried, Principle Investigator for OIST's Mechanics and Materials Unit. "Udover at give praktisk indsigt, der skulle bidrage til den effektive vækst af disse film i laboratoriemiljøer, har denne forskning forbedret vores forståelse af underliggende topologiske og geometriske problemer relateret til væksten af ​​polykrystallinske film af diamant og forskellige andre materialer. Vi ser frem til at anvende vores resultater til udvikling af film, der kan bruges til biomedicinsk videnskab, kvanteudstyr og andre applikationer." + Udforsk yderligere

Diamanter er for evigt:Nyt grundlag for nanostrukturer