Indlejring af nanodiamanter i polymer kan fremme kvanteberegning og biologiske undersøgelser

Et nitrogen-tomgangscenter (NV) er en defekt i diamantens krystalstruktur, hvor et nitrogenatom erstatter et kulstofatom i diamantgitteret, og et nabosted i gitteret er ledigt. Denne og andre fluorescerende defekter i diamant, kendt som farvecentre, har tiltrukket sig forskernes opmærksomhed på grund af deres kvanteegenskaber, såsom enkeltfotonemission ved stuetemperatur og med lang sammenhængstid. Deres mange anvendelser omfatter kodning og behandling af kvanteinformation og cellemærkning i biologiske undersøgelser.

Mikrofremstilling i diamant er teknisk vanskelig, og nanodiamanter med farvecentre er blevet indlejret i specialdesignede strukturer som en måde at integrere disse kvantemittere i fotoniske enheder. En undersøgelse udført ved University of São Paulo's São Carlos Institute of Physics (IFSC-USP) i Brasilien har etableret en metode til dette, som beskrevet i en artikel publiceret i tidsskriftet Nanomaterials .

"Vi demonstrerede en metode til at indlejre fluorescerende nanodiamanter i mikrostrukturer designet til dette formål ved hjælp af to-foton polymerisation [2PP]," fortalte Cleber Mendonça, professor ved IFSC-USP og sidste forfatter til artiklen, til Agência FAPESP. "Vi studerede den ideelle koncentration af nanodiamant i fotoresisten for at opnå strukturer med mindst et fluorescerende NV-center og god strukturel og optisk kvalitet." Fotoresisten er et lysfølsomt materiale, der bruges i fremstillingsprocessen til at overføre nanoskalamønstre til substratet.

Mendonça og hans gruppe har gjort udstrakt brug af 2PP til at fremstille tredimensionelle mikrostrukturer. Kort sagt er 2PP en direkte laserskrivningsteknik, hvor en højintensitets laserstråle fokuseres på en lysfølsom polymerharpiks, der endnu ikke er størknet for at frembringe den interessante mikrostruktur.

I undersøgelsen blev en nanodiamantopløsning i deioniseret vand tilsat til blandingen af ​​monomerer, der omfattede fotoresisten, og efter at alle de nødvendige fysisk-kemiske procedurer var blevet gennemført, blev mikrofremstilling udført ved at sende prøven til pulser fra en kraftig titanium-safirlaser styret ved hjælp af dedikeret software til at definere de nøjagtige koordinater for strålen.

"Fluorescens- og Raman-spektroskopimålinger blev brugt til at bekræfte tilstedeværelsen og placeringen af ​​nanodiamanterne, mens absorbansmålinger vurderede spredningstab ved højere koncentrationer. Vores resultater viser gennemførligheden af ​​at fremstille mikrostrukturer indlejret i fluorescerende nanodiamanter via 2PP til fotonik- og kvanteteknologiapplikationer." skriver forfatterne i artiklen.

Studiet var en del af ph.d. forskning af førsteforfatter Filipe Assis Couto, med Mendonça som specialevejleder.

Flere oplysninger: Filipe A. Couto et al., Integrating Fluorescent Nanodiamonds into Polymeric Microstructures Fabricated by Two-Photon Polymerization, Nanomaterials (2023). DOI:10.3390/nano13182571

Leveret af FAPESP