Nanomaterialen hebben het potentieel om veel technologieën van de volgende generatie te verbeteren. Ze beloven computerchips te versnellen, de resolutie van medische beeldvormingsapparatuur verhogen en elektronica energiezuiniger maken. Maar het doordrenken van nanomaterialen met de juiste eigenschappen kan tijdrovend en kostbaar zijn. een nieuwe, een snelle en goedkope methode voor het construeren van op diamanten gebaseerde hybride nanomaterialen zou binnenkort het veld voorwaarts kunnen lanceren.

Onderzoekers van de Universiteit van Maryland ontwikkelden een methode om op diamant gebaseerde hybride nanodeeltjes in grote hoeveelheden van de grond af te bouwen, waardoor veel van de problemen met de huidige methoden worden omzeild. De techniek wordt beschreven in de 8 juni, 2016 nummer van het tijdschrift Natuurcommunicatie .

Het proces begint met kleine, diamanten op nanoschaal die een specifiek type onzuiverheid bevatten:een enkel stikstofatoom waar een koolstofatoom zou moeten zijn, met een lege ruimte ernaast, als gevolg van een tweede ontbrekend koolstofatoom. Deze "stikstofleegstand"-onzuiverheid geeft elke diamant speciale optische en elektromagnetische eigenschappen.

Door andere materialen aan de diamantkorrels te hechten, zoals metaaldeeltjes of halfgeleidende materialen die bekend staan ​​als "quantum dots, " kunnen de onderzoekers een verscheidenheid aan aanpasbare hybride nanodeeltjes maken, inclusief halfgeleiders en magneten op nanoschaal met precies op maat gemaakte eigenschappen.

"Als je een van deze diamanten combineert met zilveren of gouden nanodeeltjes, het metaal kan de optische eigenschappen van de nanodiamant verbeteren. Als je de nanodiamant koppelt aan een halfgeleidende kwantumdot, het hybride deeltje kan energie efficiënter overdragen, " zei Min Ouyang, een universitair hoofddocent natuurkunde aan de UMD en senior auteur van het onderzoek.

Bewijs suggereert ook dat een enkele stikstofleegte kwantumfysische eigenschappen vertoont en zich zou kunnen gedragen als een kwantumbit, of qubit, op kamertemperatuur, volgens Ouyang. Qubits zijn de functionele eenheden van tot nu toe ongrijpbare kwantumcomputertechnologie, die op een dag een revolutie teweeg kan brengen in de manier waarop mensen informatie opslaan en verwerken. Bijna alle tot nu toe bestudeerde qubits hebben ultrakoude temperaturen nodig om goed te kunnen functioneren.

Een qubit die werkt bij kamertemperatuur zou een belangrijke stap voorwaarts betekenen, het vergemakkelijken van de integratie van kwantumcircuits in industriële, commerciële en consumentenelektronica. De nieuwe diamant-hybride nanomaterialen beschreven in Natuurcommunicatie een belangrijke belofte inhouden voor het verbeteren van de prestaties van stikstofvacatures bij gebruik als qubits, merkte Ouyang op.

Hoewel dergelijke toepassingen veelbelovend zijn voor de toekomst, De belangrijkste doorbraak van Ouyang en collega's is hun methode om de hybride nanodeeltjes te construeren. Hoewel andere onderzoekers nanodiamanten hebben gekoppeld aan complementaire nanodeeltjes, dergelijke inspanningen waren gebaseerd op relatief onnauwkeurige methoden, zoals het handmatig installeren van de diamanten en deeltjes naast elkaar op een groter oppervlak één voor één. Deze methoden zijn kostbaar, tijdrovend en leiden tot tal van complicaties, zeggen de onderzoekers.

"Onze belangrijkste innovatie is dat we deze vrijstaande hybride deeltjes nu betrouwbaar en efficiënt in grote aantallen kunnen produceren, " legde Ouyang uit, die ook aanstellingen heeft in het UMD Center for Nanophysics and Advanced Materials en het Maryland NanoCenter, met een aangesloten hoogleraarschap in het UMD Department of Materials Science and Engineering.

De methode ontwikkeld door Ouyang en zijn collega's, UMD natuurkundig onderzoeksmedewerker Jianxiao Gong en afgestudeerd natuurkundestudent Nathaniel Steinsultz, maakt ook nauwkeurige controle van de eigenschappen van de deeltjes mogelijk, zoals de samenstelling en het totale aantal niet-diamantdeeltjes. De hybride nanodeeltjes zouden het ontwerp van qubits op kamertemperatuur voor kwantumcomputers kunnen versnellen, helderdere kleurstoffen voor biomedische beeldvorming, en zeer gevoelige magnetische en temperatuursensoren, om een ​​paar voorbeelden te noemen.

"Hybride materialen hebben vaak unieke eigenschappen die voortkomen uit interacties tussen de verschillende componenten van de hybride. Dit geldt met name voor nanogestructureerde materialen waar sterke kwantummechanische interacties kunnen optreden, " zei Matthew Doty, een universitair hoofddocent materiaalkunde en techniek aan de Universiteit van Delaware die niet betrokken was bij het onderzoek. "De nieuwe methode van het UMD-team creëert een unieke kans voor bulkproductie van op maat gemaakte hybride materialen. Ik verwacht dat deze vooruitgang een aantal nieuwe benaderingen voor detectie- en diagnostische technologieën mogelijk zal maken."

De bijzondere eigenschappen van de nanodiamanten worden bepaald door hun stikstof-vacatures, die defecten veroorzaken in de kristalstructuur van de diamant. Zuivere diamanten bestaan ​​uit een geordend rooster van koolstofatomen en zijn volledig transparant. Echter, zuivere diamanten zijn vrij zeldzaam in natuurlijke diamantafzettingen; de meeste hebben defecten als gevolg van niet-koolstofverontreinigingen zoals stikstof, boor en fosfor. Dergelijke defecten creëren de subtiele en gewenste kleurvariaties die te zien zijn in edelsteendiamanten.

De diamanten op nanoschaal die in het onderzoek werden gebruikt, zijn kunstmatig gemaakt, en minimaal één stikstofvacature hebben. Deze onzuiverheid resulteert in een veranderde bindingsstructuur in het anders geordende koolstofrooster. De veranderde binding is de bron van de optische, elektromagnetische en kwantumfysische eigenschappen die de diamanten bruikbaar maken in combinatie met andere nanomaterialen.

Hoewel de huidige studie diamanten beschrijft met stikstofsubstituties, Ouyang wijst erop dat de techniek ook kan worden uitgebreid tot andere diamantonzuiverheden, die elk nieuwe mogelijkheden kunnen bieden.

"Een grote kracht van onze techniek is dat deze breed bruikbaar is en kan worden toegepast op een verscheidenheid aan diamantsoorten en gecombineerd met een verscheidenheid aan andere nanomaterialen, Ouyang legt uit. "Het is ook vrij eenvoudig op te schalen. We zijn geïnteresseerd in het verder bestuderen van de basisfysica, maar ook op weg naar specifieke toepassingen. Het potentieel voor kwantumverstrengeling bij kamertemperatuur is bijzonder opwindend en belangrijk."