In de huidige samenlevingen doet het woord 'diamant' denken aan een reeks beelden. Het gaat om verhalen over kracht, rijkdom en status. Maar verwijder deze associaties en het wetenschappelijke gebruik van het materiaal wordt onthuld. Diamanten zijn transparant, extreem stijf en vormen geen gevaar voor levend weefsel. Onlangs zijn onderzoekers begonnen met het kweken van ultradunne polykristallijne diamantfilms in laboratoria. Deze films, die veel van de eigenschappen van diamanten edelstenen hebben, kunnen een aantal biomedische en sensortoepassingen hebben. Bovendien, omdat ze zijn gemaakt van koolstof, hebben ze geen dure of moeilijk te verkrijgen materialen nodig.

Stafwetenschapper Dr. Stoffel Janssens, van de Mechanics and Materials Unit van de Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST), heeft de groei van zowel poreuze als gesloten polykristallijne diamantfilms gesimuleerd. Poreuze diamantfilms - die met gaten verspreid over de film - zouden ooit kunnen worden gebruikt als platforms voor het kweken van neuronen en andere cellen. De simulaties waren een succes en onthulden interessante geometrische structuren in de films, wat resulteerde in een publicatie in Acta Materialia .

"De simulaties hebben ons een veelbelovend beeld gegeven van wat we in ons lab zouden kunnen doen", legt Dr. Janssens uit. "Poreuse films vereisen momenteel ingewikkelde technieken om te maken. We willen ze op een eenvoudige en kosteneffectieve manier kunnen maken. De simulaties hebben licht geworpen op hoe lang we de films moeten laten groeien, hoe groot de korrels moeten zijn en wat we kunnen verwachten van de resultaten."

Om polykristallijne diamantfilms te laten groeien, worden nano-diamantkorrels op een substraat gezaaid. Onder de juiste omstandigheden zullen deze korrels uitgroeien tot zuilvormige diamantkristallieten die vervolgens uitzetten om zich met elkaar te verbinden. Na verloop van tijd worden deze verbindingen sterker, wat resulteert in een robuust materiaal. De tweedimensionale simulaties lieten Dr. Janssens en zijn medewerkers toe om de gedetailleerde gevolgen van het variëren van de korrelgrootte en de initiële korrelverdeling te observeren. Ze ontdekten dat naarmate een diamantfilm groeit, de korrelgrenzen die zich tussen de korrels vormen een bekend diagram vormen.

"Het wordt het Voronoi-diagram genoemd," legde Dr. Janssens uit. "Het is bekend bij onderzoekers in veel verschillende gebieden van wetenschap en techniek - van biologen die cellulaire en botstructuren modelleren tot epidemiologen die de bron van een infectie willen identificeren tot ecologen die de groeipatronen van het bladerdak bestuderen."

Toen de onderzoekers de korreldichtheid veranderden, ontstonden er verschillende variaties van het diagram. De simulaties laten zien dat een hoge begindichtheid van korrels leidt tot een diagram dat lijkt op een honingraatpatroon met poriën die gelijkmatig over de film zijn verdeeld, terwijl een lagere begindichtheid van korrels leidt tot minder uniforme poriënverdelingen.

Dr. Janssens onderzocht ook de topologische overgangen die optreden in verschillende stadia tijdens de groei van een film. De eerste opmerkelijke overgang vindt plaats wanneer alle korrels zijn verbonden en een poreuze film vormen. De tweede opmerkelijke overgang vindt plaats wanneer de korrels sterk met elkaar zijn verbonden, waardoor een gesloten film wordt gevormd zonder gaatjes. Voortbouwend op hun simulaties onderzochten de onderzoekers de overlevingskans van de gaatjes en verkenden ze strategieën om de kans op de aanwezigheid van gaatjes in een laatste gesloten film te minimaliseren.

"De simulaties van polykristallijne diamantfilms dragen bij aan het gebied van continuümpercolatietheorie", legt prof. Eliot Fried uit, hoofdonderzoeker van de Mechanics and Materials Unit van OIST. "Naast het bieden van praktische inzichten die zouden moeten bijdragen aan de efficiënte groei van deze films in een laboratoriumomgeving, heeft dit onderzoek ons ​​begrip van onderliggende topologische en geometrische problemen met betrekking tot de groei van polykristallijne films van diamant en verschillende andere materialen verbeterd. We kijken vooruit om onze bevindingen toe te passen op de ontwikkeling van films die kunnen worden gebruikt voor biomedische wetenschap, kwantumapparatuur en andere toepassingen." + Verder verkennen

Diamanten zijn voor altijd:nieuwe basis voor nanostructuren