Onderzoekers kijken diep in een diamant om te zien hoe de atomen in de defecten van de bloedplaatjes zijn gerangschikt in het hardste natuurlijke materiaal dat de mens kent.

Een multinationaal team van onderzoekers, waaronder een wetenschapper van Wits University, hebben diep in een diamant gekeken om te zien hoe de atomen in de defecten van de bloedplaatjes zijn gerangschikt in het hardste natuurlijke materiaal dat de mens kent.

Met behulp van twee processen, namelijk transmissie-elektronenmicroscopie en elektronen-energieverliesspectroscopie, de wetenschappers onderzochten de ruimtelijke ordening van koolstof- en stikstofatomen die de kern van de defecten vormen. Ook werd de aard van de bindingen tussen de atomen bepaald.

Zoals holtes en insluitsels, bloedplaatjes staan ​​bekend als "defecten" of onvolkomenheden in diamanten. Waar de koolstofatomen in diamanten in perfecte periodieke rangschikking zijn, een bloedplaatjesdefect verstoort de periodieke rangschikking van de koolstofatomen, wat resulteert in een defect dat eruitziet als een kleine rechte lijn in de edelsteen wanneer afgebeeld met een elektronenmicroscoop langs een specifieke richting in het diamantkristal.

Onderzoek naar de aard van defecten in een diamant is al vele decennia aan de gang, maar de doorbraak kwam toen een aberratie-gecorrigeerde transmissie-elektronenmicroscoop met atomaire resolutie van het Center for High Resolution Microscopy aan de Nelson Mandela University werd gebruikt om de bloedplaatjesdefecten in beeld te brengen en te analyseren. De microscoop werd gebruikt in de modus scanning transmissie-elektronenmicroscopie (STEM), met behulp van een ringvormige donkervelddetector met hoge hoek samen met elektronenenergieverlies (EEL) spectrumbeeldvorming, zegt professor Mervin Naidoo van de Wits School of Physics. Een artikel over het werk van het team met onder meer wetenschappers van de Nelson Mandela University, Vrije Staatsuniversiteit, Oxford University in het VK en het Max Planck Institute in Duitsland, werd onlangs gepubliceerd in het tijdschrift, Natuurmaterialen .

Dunne diamantsecties voor STEM-analyse werden bereid door gebruik te maken van een gefocusseerde ionenbundel (FIB) om secties van 5x10 micron te snijden met een dikte van ongeveer 20-50 nanometer (nm is een miljardste van een meter). De secties werden vervolgens onderzocht in een elektronenmicroscoop met atomaire resolutie door een gefocusseerde bundel elektronen met een goed gedefinieerde energie door de dunne diamantsectie te laten gaan. Het interferentiepatroon dat wordt gevormd door de elektronen "golven" na het passeren van een dunne diamantsectie, genereert een beeld van de ruimtelijke rangschikking van de koolstofatomen in het diamantkristal evenals de koolstof- en stikstofatomen in het bloedplaatjesdefect. De overeenkomstige gegevens over elektronenergieverlies geven informatie over de chemische samenstelling van de bloedplaatjes en de aard van de chemische bindingen tussen de atomen.

"Door deze beelden naast elkaar te plaatsen, we hebben een uniek beeld van het bloedplaatje kunnen maken, ' zegt Naidoo.

Hoewel in het verleden veel theoretische modellen van de atomaire rangschikking van atomen in de bloedplaatjes zijn voorgesteld, de huidige studie was de eerste ooit die erin slaagde de exacte atomaire posities in de bloedplaatjes in beeld te brengen en die te matchen met een van de eerder voorgestelde theoretische modellen.

Koolstofatomen in een diamant zijn gerangschikt in een periodiek driedimensionaal rooster. Het bloedplaatjesdefect onderbreekt de periodieke rangschikking van atomen door een soort uitgebreid vlak defect te introduceren, met voornamelijk koolstof- en enkele stikstofatomen. De atomen in de bloedplaatjes zijn gerangschikt in een zigzagvolgorde van defectparen langs de defectlijn.

"Diamanten zijn boodschappers uit de diepte. De kennis van de structuur en samenstelling van een defect aan bloedplaatjes zou ons kunnen vertellen hoe diamanten in de aarde worden gevormd en welke processen bij hun vorming betrokken zijn, " zegt Naidoo. Met andere woorden, met de huidige kennis kunnen onderzoekers nu een dynamisch model formuleren van de mogelijke puntdefectinteracties die uiteindelijk deze bloedplaatjesstructuur hebben gevormd."

Bloedplaatjes kunnen nu ook worden geproduceerd in synthetische diamanten, waarmee wetenschappers de aard van bloedplaatjes in natuurlijke diamanten kunnen vergelijken met hun synthetische tegenhangers.

Deze resultaten lieten ook zien dat bloedplaatjes niet alleen uit stikstofatomen bestaan, maar het toonde aan dat bloedplaatjes stikstof bevatten en dat de stikstofatomen hoogstwaarschijnlijk een rol spelen bij de vormingskinetiek van de bloedplaatjes.

"We hebben een mysterie ontdekt. ​​We hebben door middel van atomaire resolutie-elektronenbeeldvormingstechnieken de kwestie van de atomaire rangschikking van atomen in bloedplaatjesdefecten in diamant beantwoord. Deze studie opent nu andere opwindende onderzoekspaden, "zegt Naidoo. "Dit is niet het einde van het verhaal."