Wetenschappers zijn enthousiast over diamanten - niet de soorten die sieraden sieren, maar de microscopisch kleine variëteit die kleiner is dan de breedte van een mensenhaar. Deze zogenaamde "nanodiamanten" bestaan ​​bijna volledig uit koolstof. Maar door andere elementen in het kristalrooster van de nanodiamant te introduceren - een methode die bekend staat als "doping" - zouden onderzoekers eigenschappen kunnen produceren die nuttig zijn in medisch onderzoek, rekenen en verder.

In een paper gepubliceerd op 3 mei in wetenschappelijke vooruitgang , onderzoekers van de Universiteit van Washington, het U.S. Naval Research Laboratory en het Pacific Northwest National Laboratory hebben aangekondigd dat ze extreem hoge druk en temperatuur kunnen gebruiken om nanodiamanten te dopen. Het team gebruikte deze aanpak om nanodiamanten te dopen met silicium, waardoor de diamanten dieprood gloeien - een eigenschap die ze nuttig zou maken voor beeldvorming van cellen en weefsels.

Het team ontdekte dat hun methode ook nanodiamanten kon dopen met argon, een edelgas en niet-reactief element gerelateerd aan helium in ballonnen. Nanodiamanten die met dergelijke elementen zijn gedoteerd, kunnen worden toegepast op kwantuminformatiewetenschap - een snel groeiend veld dat kwantumcommunicatie en kwantumcomputers omvat.

"Onze aanpak stelt ons in staat om opzettelijk andere elementen in diamantnanokristallen te dopen door zorgvuldig de moleculaire uitgangsmaterialen te selecteren die tijdens hun synthese worden gebruikt, " zei corresponderende auteur Peter Pauzauskie, een UW universitair hoofddocent materiaalkunde en techniek en onderzoeker aan het Pacific Northwest National Laboratory.

Er zijn andere methoden om nanodiamanten te dopen, zoals ionenimplantatie, maar dit proces beschadigt vaak de kristalstructuur en de geïntroduceerde elementen worden willekeurig geplaatst, wat de prestaties en toepassingen beperkt. Hier, de onderzoekers besloten de nanodiamanten niet te dopen nadat ze waren gesynthetiseerd. In plaats daarvan, ze doopten de moleculaire ingrediënten om nanodiamanten te maken met het element dat ze wilden introduceren, gebruikte vervolgens hoge temperatuur en druk om nanodiamanten te synthetiseren met de meegeleverde elementen.

In principe, het is als het maken van een cake:het is veel eenvoudiger en effectiever om suiker aan het beslag toe te voegen, in plaats van na het bakken suiker aan de cake toe te voegen.

Het startpunt van het team voor nanodiamanten was een koolstofrijk materiaal - vergelijkbaar met houtskool, zei Pauzauskie - die de onderzoekers in een lichtgewicht spinden, poreuze matrix bekend als een aerogel. Vervolgens hebben ze de koolstofaerogel gedoteerd met een siliciumbevattend molecuul genaamd tetraethylorthosilicaat, die chemisch was geïntegreerd in de koolstofaerogel. De onderzoekers verzegelden de reactanten in de pakking van een diamanten aambeeldcel, die een druk tot 15 gigapascal in de pakking zou kunnen genereren. Als referentie, 1 gigapascal is ongeveer 10, 000 atmosfeer druk, of 10 keer de druk in het diepste deel van de oceaan.

Om te voorkomen dat de aerogel bij zulke extreme druk wordt verpletterd, ze gebruikten argon, die vast wordt bij 1,8 gigapascal, als drukmedium. Nadat het materiaal onder hoge druk is geladen, de onderzoekers gebruikten een laser om de cel boven de 3 te verwarmen, 100 F, meer dan een derde van de oppervlaktetemperatuur van de zon. In samenwerking met E. James Davis, een UW emeritus hoogleraar chemische technologie, ze zagen dat bij deze temperaturen het vaste argon smelt om een ​​superkritische vloeistof te vormen.

Door dit proces, de koolstofaerogel werd omgezet in nanodiamanten met luminescente puntdefecten gevormd uit de op silicium gebaseerde doteringsmoleculen. De nanodiamanten straalden een dieprood licht uit met een golflengte van ongeveer 740 nanometer, die nuttig is bij medische beeldvorming. Nanodiamanten die met andere elementen zijn gedoteerd, kunnen andere kleuren uitstralen.

"We kunnen een pijl naar het periodiek systeem gooien en - zolang het element dat we raken oplosbaar is in diamant - kunnen we het opzettelijk in de nanodiamant opnemen met behulp van deze methode, " zei Pauzauskie. "Je zou een breed spectrum van nanodiamanten kunnen maken die verschillende kleuren uitstralen voor beeldvormingsdoeleinden. We kunnen deze moleculaire doteringsbenadering misschien ook gebruiken om complexere puntdefecten te maken met twee of meer verschillende doteringsatomen, inclusief volledig nieuwe defecten die nog niet eerder zijn ontstaan."

Verrassend genoeg, de onderzoekers ontdekten dat hun nanodiamanten ook twee andere elementen bevatten die ze niet van plan waren te introduceren:het argon dat wordt gebruikt als drukmedium en stikstof uit de lucht. Net als het silicium dat de onderzoekers wilden introduceren, de stikstof- en argonatomen waren volledig opgenomen in de kristalstructuur van de nanodiamant.

Dit is de eerste keer dat wetenschappers gebruik hebben gemaakt van hoge temperatuur, hogedrukassemblage om een ​​edelgaselement - argon - in een nanodiamantroosterstructuur te introduceren. Het is niet eenvoudig om niet-reactieve atomen te dwingen zich te associëren met andere materialen in een verbinding.

"Dit was toevallig, een complete verrassing, " zei Pauzauskie. "Maar het feit dat argon in de nanodiamanten is verwerkt, betekent dat deze methode potentieel nuttig is om andere puntdefecten te creëren die potentieel hebben voor gebruik in kwantuminformatiewetenschappelijk onderzoek."

Onderzoekers hopen naast dope nanodiamanten opzettelijk met xenon, een ander edelgas, voor mogelijk gebruik op gebieden zoals kwantumcommunicatie en kwantumdetectie.

Eindelijk, de methode van het team kan ook helpen bij het oplossen van een kosmisch mysterie:er zijn nanodiamanten gevonden in de ruimte, en iets daarbuiten - zoals supernova's of botsingen met hoge energie - dopt ze met edelgassen. Hoewel de methoden die door Pauzauskie en zijn team zijn ontwikkeld, bedoeld zijn om nanodiamanten hier op aarde te dopen, hun bevindingen kunnen wetenschappers helpen te leren welke soorten buitenaardse gebeurtenissen ver van huis kosmische doping veroorzaken.