In plaats van tonnen verpletterende kracht en vulkanische hitte te gebruiken om diamanten te smeden, onderzoekers van Case Western Reserve University hebben een manier ontwikkeld om goedkoop nanodiamanten te maken op een laboratoriumbank bij atmosferische druk en in de buurt van kamertemperatuur.

De nanodiamanten worden direct uit een gas gevormd en hebben geen oppervlak nodig om op te groeien.

De ontdekking is veelbelovend voor vele toepassingen in technologie en industrie, zoals het coaten van kunststoffen met ultrafijn diamantpoeder en het maken van flexibele elektronica, implantaten, apparaten voor medicijnafgifte en meer producten die profiteren van de uitzonderlijke eigenschappen van diamant.

Hun onderzoek is vandaag gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift Natuurcommunicatie . De bevindingen bouwen voort op een traditie van diamantonderzoek bij Case Western Reserve.

Naast zijn toepassingen, de ontdekking kan enig inzicht bieden in ons universum:een verklaring van hoe nanodiamanten die in de ruimte worden gezien en in meteorieten worden gevonden, kunnen worden gevormd.

"Dit is geen ingewikkeld proces:ethanoldamp bij kamertemperatuur en druk wordt omgezet in diamant, " zei Mohan Sankaran, universitair hoofddocent chemische technologie bij Case Western Reserve en leider van het project. "We laten het gas door een plasma stromen, voeg waterstof toe en er komen diamanten nanodeeltjes uit. We kunnen dit samenstellen en in bijna elk laboratorium maken."

Het proces voor het maken van deze kleine "voor altijd stenen" zal plastic niet smelten, dus het is zeer geschikt voor bepaalde hightech toepassingen. Diamant, bekend als hard, heeft uitstekende optische eigenschappen en de hoogste geluidssnelheid en thermische geleidbaarheid van elk materiaal.

In tegenstelling tot de andere vorm van koolstof, grafiet, diamant is een halfgeleider, vergelijkbaar met silicium, wat het dominante materiaal is in de elektronica-industrie, en galliumarsenide, die wordt gebruikt in lasers en andere optische apparaten.

Hoewel het proces eenvoudig is, het vinden van de juiste concentraties en stromen - wat de onderzoekers de 'sweet spot' noemen - kostte tijd.

De andere betrokken onderzoekers waren postdoctoraal onderzoeker Ajay Kumar, Promovendus Pin Ann Lin, en student Albert Xue, van Case Western Reserve; en natuurkundeprofessor Yoke Khin Yap en afgestudeerde student Boyi Hao, van de Technische Universiteit van Michigan.

Sankaran en John Angus, emeritus hoogleraar chemische technologie, kwam ongeveer acht jaar geleden op het idee om nanodiamanten te kweken zonder hitte of druk. Angus' onderzoek in de jaren '60 en '70 bracht hem en anderen ertoe een manier te bedenken om diamantfilms te laten groeien bij lage druk en hoge temperatuur, een proces dat bekend staat als chemische dampafzetting en dat nu wordt gebruikt om coatings te maken op computerschijven en scheermesjes. De specialiteit van Sankaran, In de tussentijd, maakt nanodeeltjes met behulp van koele microplasma's.

Het vereist meestal hoge drukken en hoge temperaturen om grafiet om te zetten in diamant of een combinatie van waterstofgas en een verwarmd substraat om diamant te laten groeien in plaats van grafiet.

"Maar op nanoschaal oppervlakte-energie maakt diamant stabieler dan grafiet, " legde Sankaran uit. "We dachten dat als we koolstofclusters in de gasfase konden vormen die kleiner waren dan 5 nanometer, ze zouden diamant zijn in plaats van grafiet, zelfs bij normale druk en temperatuur."

Na een aantal ups en downs met de inspanning, het proces kwam samen toen Kumar zich bij het laboratorium van Sankaran aansloot. De ingenieurs produceerden diamant net zoals ze koolstofroet zouden produceren.

Ze creëren eerst een plasma, dat is een toestand van materie vergelijkbaar met een gas, maar een deel wordt geladen, of geïoniseerd. Een vonk is een voorbeeld van een plasma, maar het is heet en oncontroleerbaar.

Om koelere en veiligere temperaturen te bereiken, ze ioniseerden argongas terwijl het uit een buis werd gepompt met een diameter van een haar, het creëren van een microplasma. Ze pompten ethanol, de bron van koolstof, door het microplasma, waar, vergelijkbaar met het verbranden van brandstof, koolstof breekt vrij van andere moleculen in het gas, en levert deeltjes van 2 tot 3 nanometer op, klein genoeg om in diamant te veranderen.

In minder dan een microseconde, ze voegen waterstof toe. Het element verwijdert koolstof die niet in diamant is veranderd en stabiliseert tegelijkertijd het oppervlak van de diamantdeeltjes.

De gevormde diamant is niet de grote perfecte kristallen die worden gebruikt om sieraden te maken, maar is een poeder van diamantdeeltjes. Sankaran en Kumar maken nu consequent diamanten van hoge kwaliteit met een gemiddelde diameter van 2 nanometer.

De onderzoekers hebben ongeveer een jaar getest om te verifiëren dat ze diamanten produceerden en dat het proces kon worden gerepliceerd. zei Kumar. Het team deed zelf verschillende tests en schakelde Yap's lab in om de nanodeeltjes te analyseren met Raman-spectroscopie.

Momenteel, nanodiamanten worden gemaakt door een explosief te laten ontploffen in een reactorvat om warmte en druk te leveren. De diamantdeeltjes moeten dan worden verwijderd en gezuiverd van verontreinigende elementen die zich eromheen hebben verzameld. Het proces is snel en goedkoop, maar de nanodiamanten aggregeren en zijn van verschillende grootte en zuiverheid.

Het nieuwe onderzoek biedt veelbelovende implicaties. Nanodiamanten, bijvoorbeeld, worden getest om medicijnen naar tumoren te brengen. Omdat diamant door het immuunsysteem niet als een indringer wordt herkend, het roept geen weerstand op, de belangrijkste reden waarom chemotherapie mislukt.

Sankaran zei dat zijn nanodiamanten een alternatief kunnen bieden voor diamanten die zijn gemaakt met detonatiemethoden, omdat ze zuiverder en kleiner zijn.

Het proces van de groep produceert drie soorten diamanten:ongeveer de helft is kubiek, dezelfde structuur als edelsteendiamanten, een klein percentage is een vorm waarvan wordt vermoed dat er waterstof in zit en ongeveer de helft is lonsdaleiet, een zeshoekige vorm gevonden in interstellair stof, maar zelden gevonden op aarde.

Een recent artikel in het tijdschrift Fysieke beoordelingsbrieven suggereert dat wanneer interstellair stof botst, Er is zo'n hoge druk bij betrokken dat de grafietkool verandert in londsdaleite nanodiamanten.

Sankaran en Kumar beweren dat een alternatief zonder hogedrukvereiste, zoals hun methode, moet overwogen worden, te.

"Misschien maken we diamant zoals diamant soms in de ruimte wordt gemaakt, " stelde Sankaran voor. "Ethanol en plasma's bestaan ​​in de ruimte, en onze nanodiamanten zijn qua grootte en structuur vergelijkbaar met die in de ruimte."

De groep onderzoekt nu of het het proces kan verfijnen om te bepalen welke vorm van diamant wordt gemaakt, analyseren van de structuren en bepalen of elk verschillende eigenschappen heeft. Lonsdaleiet, bijvoorbeeld, is harder dan kubieke diamant.

De onderzoekers hebben een soort nanodiamant spuitverf gemaakt. "We kunnen dit in één stap doen, door de nanodiamanten te sproeien zoals ze uit het plasma worden geproduceerd en met waterstof worden gezuiverd, een oppervlak bekleden, ' zei Kumar.

En ze werken aan opschaling van het proces voor industrieel gebruik.

"Zullen ze kunnen opschalen? Dat is altijd een rotzooi, ' zei Angus. 'Maar ik denk dat het kan, en tegen zeer hoge tarieven en goedkoop. uiteindelijk, het kan enkele jaren duren om daar te komen, maar er is geen theoretische reden waarom het niet kan."

Als het opgeschaalde proces net zo eenvoudig en goedkoop is als het laboratoriumproces, industrie zal veel toepassingen voor het product vinden, zei Sankaran.