Forskere optrævler den kemiske mekanisme bag silica-coatede nanodiamanter

At belægge noget sjældent - bittesmå skår af diamant - med hovedingrediensen i sand kan lyde usædvanligt, men slutresultatet viser sig at have en række værdifulde anvendelser. Tricket er, at ingen med sikkerhed ved, hvordan de to materialer binder sammen.

Nu rapporterer forskere fra San Jose State University (SJSU) i tidsskriftet ACS Nanoscience Au at alkohol-kemiske grupper på en diamants overflade er ansvarlige for nyttigt ensartede silicaskaller, et resultat, der kunne hjælpe dem med at skabe bedre silica-coatede nanodiamanter - bittesmå værktøjer med anvendelser fra biomærkning af kræftceller til kvantesansning.

Holdet afslørede bindingsmekanismen takket være kraftfulde røntgenstråler genereret af Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL) ved DOE's SLAC National Accelerator Laboratory.

"Nu hvor vi kender disse finere detaljer - hvordan bindingen fungerer i stedet for bare at gætte - kan vi bedre udforske nye diamanthybridsystemer," sagde Abraham Wolcott, undersøgelsens hovedforsker og en SJSU-professor.

Meget af Wolcotts arbejde vedrører nanodiamanter, syntetiske diamanter, der er knust i stykker så små, at du skal bruge 40.000 af dem for at spænde over bredden af ​​et enkelt menneskehår. Teoretisk set har nanodiamanter perfekte kulstofgitter, men af ​​og til sniger sig et nitrogenatom ind og erstatter et kulstofatom ved siden af ​​et manglende kulstofatom. Det er teknisk set en defekt, men det er nyttigt – defekten reagerer på magnetiske felter, elektriske felter og lys, alt sammen ved stuetemperatur, hvilket betyder, at nanodiamanter har mange anvendelser.

De kan bruges som qubits, den grundlæggende enhed for en kvantecomputer. Slå dem med grønt lys, og de lyser rødt, så biologer kan placere dem i levende celler og spore dem, mens de bevæger sig. Men forskere kan ikke nemt programmere nanodiamanter til at gå, hvor de vil, og diamantkanter er spidse og kan sprænge cellemembraner.

At belægge dem med silica løser begge problemer. Silica danner en glat, ensartet skal, der dækker de skarpe kanter. Det skaber også en modificerbar overflade, som videnskabsmænd kan dekorere med tags for at lede partiklerne mod specifikke celler, såsom kræftceller eller neuroner. "Diamanten med silica-skal bliver et kontrollerbart system," sagde Wolcott.

Men i nogen tid, sagde Wolcott, har videnskabsmænd været uenige om, hvordan denne skal dannes. Hans hold viste, at ammoniumhydroxid med ethanol, kemikalier, der normalt indgår i belægningsprocessen, producerer mange alkoholgrupper på nanodiamantoverfladen, og disse alkoholer letter væksten af ​​skallen.

"Ingen var i stand til at forklare det i over 10 år," sagde Wolcott, "men vi var i stand til at drille den information ud."

Efter at have studeret partiklerne med transmissionselektronmikroskoper ved DOE's Lawrence Berkeley National Laboratory Molecular Foundry, skød forskerne SSRL-røntgenstråler på nanodiamanter for at udforske overfladerne skjult under silicabelægningen.

SSRL's overgangskantsensor – et superfølsomt termometer, der opsamler temperaturændringer og omdanner dem til røntgenenergier – afslørede, hvilke kemiske grupper der var til stede på nanodiamanternes overflader.

Ved at bruge en anden teknik - røntgenabsorptionsspektroskopi (XAS) - genererede holdet mobile elektroner på nanodiamantoverfladen og fangede dem derefter, da de rejste gennem silicaskallen og undslap. Jo tykkere belægningen var, jo færre elektroner kom op til overfladen. Signalerne virkede som et lille målebånd, der viste tykkelsen af ​​silicabelægningen på nanometerskalaen.

"XAS er kraftfuld, fordi du kan opdage noget, der er nedsænket, som er skjult - som diamant under en silicaskal," sagde Wolcott. "Folk har aldrig gjort dette med nanodiamanter før, så ud over at finde ud af bindingsmekanismen, har vi også vist, at XAS er nyttigt for materialeforskere og kemikere."

I fremtiden ønsker Wolcott, som er kendt for at give praktiske forskningsmuligheder, at sætte eleverne i gang med at belægge nanodiamanter med andre materialer. Titanium, zink og andre metaloxider kan f.eks. åbne nye veje inden for kvanteregistrering og biologiske mærkningsapplikationer.

"Nanodiamanter er utrolige mikroværktøjer med umiddelbare anvendelser," sagde Karen Lopez, en biomedicinsk ingeniør Ph.D. studerende ved University of California, Irvine, der ligesom de andre SJSU-forfattere arbejdede på studiet som bachelor. "Nu hvor vi forstår, hvordan silicaskallen dannes, kan vi begynde at optimere den og udvide til andre typer materialer."

Flere oplysninger: Perla J. Sandoval et al., Quantum Diamonds at the Beach:Chemical Insights in Silica Growth on Nanoscale Diamond using Multimodal Characterization and Simulation, ACS Nanoscience Au (2023). DOI:10.1021/acsnanoscienceau.3c00033

Leveret af SLAC National Accelerator Laboratory