Ze klinken als futuristische wapens, maar elektronenkanonnen zijn eigenlijk werkpaardgereedschappen voor onderzoek en industrie:ze zenden elektronenstromen uit voor elektronenmicroscopen, apparatuur voor halfgeleiderpatronen en deeltjesversnellers, om een ​​paar belangrijke toepassingen te noemen.

Nu hebben wetenschappers van Stanford University en het SLAC National Accelerator Laboratory van het Department of Energy ontdekt hoe ze deze elektronenstromen kunnen vergroten 13, 000-voudig door een enkele laag diamantoïden aan te brengen - kleine, perfecte diamanten kooien - tot de scherpe gouden punt van een elektronenkanon.

De resultaten, vandaag gepubliceerd in Natuur Nanotechnologie , suggereren een geheel nieuwe aanpak om de kracht van deze apparaten te vergroten. Ze bieden ook een mogelijkheid voor het ontwerpen van andere soorten elektronenemitters met atoom-voor-atoom precisie, zei Nick Melosh, een universitair hoofddocent bij SLAC en Stanford die de studie leidde.

Diamondoids zijn in elkaar grijpende kooien gemaakt van koolstof- en waterstofatomen. Het zijn de kleinst mogelijke stukjes diamant, elk met een gewicht van minder dan een miljardste van een miljardste karaat. Dat kleine formaat, samen met hun stijve, stevige structuur en hoge chemische zuiverheid, geef ze nuttige eigenschappen die grotere diamanten missen.

SLAC en Stanford zijn uitgegroeid tot een van 's werelds toonaangevende centra voor onderzoek naar diamantoïden. Studies worden uitgevoerd via SIMES, het Stanford Institute for Materials and Energy Sciences, en een laboratorium bij SLAC is gewijd aan het extraheren van diamantoïden uit aardolie.

In 2007, een team onder leiding van veel van dezelfde SIMES-onderzoekers toonde aan dat een enkele laag diamantoïden op een metalen oppervlak elektronen kan uitzenden en concentreren in een kleine straal met een zeer smal bereik van energieën.

In de nieuwe studie werd gekeken of een diamantoïde coating ook de emissies van elektronenkanonnen zou kunnen verbeteren.

Een manier om de kracht van een elektronenkanon te vergroten, is door de punt echt scherp te maken, wat het makkelijker maakt om de elektronen eruit te krijgen, zei Melosh. Maar deze scherpe punten zijn onstabiel; zelfs kleine onregelmatigheden kunnen hun prestaties beïnvloeden. Onderzoekers hebben geprobeerd dit te omzeilen door de uiteinden te bedekken met chemicaliën die de elektronenemissie stimuleren. maar dit kan problematisch zijn omdat sommige van de meest effectieve in vlammen opgaan wanneer ze worden blootgesteld aan lucht.

Voor deze studie is de wetenschappers gebruikten kleine nanopilaren van germaniumdraad als stand-ins voor elektronenkanontips. Ze bedekten de draden met goud en vervolgens met diamantoïden van verschillende groottes.

Toen de wetenschappers een spanning op de nanodraden aanbrachten om het vrijkomen van elektronen uit de uiteinden te stimuleren, ze ontdekten dat ze de beste resultaten kregen met tips bedekt met diamantoïden die uit vier "kooien" bestaan. Deze brachten maar liefst 13, 000 keer meer elektronen dan blote gouden tips.

Verdere tests en computersimulaties suggereren dat de toename niet te wijten was aan veranderingen in de vorm van de punt of in het onderliggende goudoppervlak. In plaats daarvan, het lijkt erop dat sommige diamantoïde moleculen in de punt een enkel elektron hebben verloren - het is niet precies duidelijk hoe. Dit creëerde een positieve lading die elektronen van het onderliggende oppervlak aantrok en het voor hen gemakkelijker maakte om uit de punt te stromen, zei Melosh.

"De meeste andere moleculen zouden niet stabiel zijn als je een elektron zou verwijderen; ze zouden uit elkaar vallen, " zei hij. "Maar de kooiachtige aard van de diamandoïde maakt het ongewoon stabiel, en daarom werkt dit proces. Nu we begrijpen wat er aan de hand is, we kunnen die kennis misschien gebruiken om andere materialen te ontwikkelen die echt goed zijn in het uitzenden van elektronen."