Diamant kan slechts een fase zijn waar koolstof doorheen gaat wanneer het wordt blootgesteld aan een flits van hitte, maar dat maakt het veel gemakkelijker te verkrijgen.

Het Rice University-lab van scheikundige James Tour is nu in staat om koolstof te "evolueren" door fasen die waardevolle nanodiamanten bevatten door het flash-joule-verwarmingsproces dat ze 18 maanden geleden ontwikkelden strak te controleren.

Beste van alles, ze kunnen het proces naar believen stoppen om het product te krijgen dat ze willen.

In het tijdschrift American Chemical Society ACS-nano, de onderzoekers, geleid door Tour en afgestudeerde student en hoofdauteur Weiyin Chen, laten zien dat het toevoegen van organische fluorverbindingen en fluorideprecursoren aan elementair roet het in verschillende moeilijk verkrijgbare allotropen verandert wanneer het wordt geflitst, waaronder gefluoreerde nanodiamanten, gefluoreerd turbostratisch grafeen en gefluoreerde concentrische koolstof.

Met het flash-proces dat in 2020 is geïntroduceerd, een sterke stroomstoot kan koolstof van zowat elke bron in minder dan een seconde in lagen ongerept turbostratisch grafeen veranderen. ("Turbostratisch" betekent dat de lagen niet sterk aan elkaar zijn gebonden, waardoor ze gemakkelijker te scheiden zijn in een oplossing.)

Het nieuwe werk laat zien dat het mogelijk is om te wijzigen, of functionaliseren, de producten tegelijk. De duur van de flits, tussen 10 en 500 milliseconden, bepaalt de uiteindelijke koolstofallotroop.

De moeilijkheid ligt in het bewaren van de fluoratomen, omdat de ultrahoge temperatuur de vervluchtiging van alle andere atomen dan koolstof veroorzaakt. Om het probleem te overwinnen, het team gebruikte een Teflon-buis die was afgedicht met grafietafstandhouders en wolfraamstaven met een hoog smeltpunt, die de reactant binnen kan houden en het verlies van fluoratomen onder de ultrahoge temperatuur kan vermijden. De verbeterde afgedichte buis is belangrijk, zei toer.

"In industrie, kleine diamanten worden al lang gebruikt in snijgereedschappen en als elektrische isolatoren, " zei hij. "De gefluoreerde versie biedt hier een route naar modificaties van deze structuren. En er is een grote vraag naar grafeen, terwijl de fluorfamilie hier nieuw wordt geproduceerd in bulkvorm."

Nanodiamanten zijn microscopisch kleine kristallen - of kristalgebieden - die hetzelfde koolstofatoomrooster vertonen als diamanten op macroschaal. Toen het voor het eerst werd ontdekt in de jaren zestig, ze werden gemaakt onder hitte en hoge druk van ontploffingen.

In recente jaren, onderzoekers hebben chemische processen gevonden om dezelfde roosters te maken. Een rapport van rijsttheoreticus Boris Yakobson vorig jaar liet zien hoe fluor kan helpen bij het maken van nanodiamant zonder hoge druk, en Tour's eigen laboratorium demonstreerde het gebruik van gepulseerde lasers om teflon om te zetten in gefluoreerde nanodiamant.

Nanodiamanten zijn zeer wenselijk voor elektronische toepassingen, omdat ze kunnen worden gedoteerd om te dienen als halfgeleiders met een brede bandgap, belangrijke componenten in het huidige onderzoek van Rice en het Army Research Laboratory.

Het nieuwe proces vereenvoudigt het dopinggedeelte, niet alleen voor nanodiamanten maar ook voor de andere allotropen. Tour zei dat het Rice-lab het gebruik van borium onderzoekt, fosfor en stikstof als additieven.

Bij langere flitstijden, de onderzoekers kregen nanodiamanten ingebed in concentrische omhulsels van gefluoreerde koolstof. Zelfs een langere belichting veranderde de diamant volledig in schelpen, van buiten naar binnen.

"De concentrische schilstructuren zijn gebruikt als smeermiddeladditieven, en deze flitsmethode kan een goedkope en snelle route naar deze formaties bieden, ' zei Tour.

Co-auteurs van het artikel zijn Rice afgestudeerde studenten John Tianci Li, Zhe Wang, Wala Algozeeb, Emily McHugh, Kevin Wyss, Paul Advincula, Jacob Beckham en Bo Jiang, onderzoekswetenschapper Carter Kittrell en alumni Duy Xuan Luong en Michael Stanford. Tour is de T.T. en W.F. Chao-leerstoel in de chemie en hoogleraar informatica en materiaalkunde en nano-engineering bij Rice.