Het bedekken van iets zeldzaams – kleine stukjes diamant – met zand als hoofdbestanddeel klinkt misschien ongebruikelijk, maar het eindresultaat blijkt een aantal waardevolle toepassingen te hebben. De truc is dat niemand zeker weet hoe de twee materialen zich binden.

Nu rapporteren onderzoekers van de San Jose State University (SJSU) in het tijdschrift ACS Nanoscience Au dat alcoholchemische groepen op het oppervlak van een diamant verantwoordelijk zijn voor bruikbaar uniforme silica-schillen, een resultaat dat hen zou kunnen helpen betere met silica gecoate nanodiamanten te creëren - kleine hulpmiddelen met toepassingen van biolabeling van kankercellen tot kwantumdetectie.

Het team ontrafelde het hechtingsmechanisme dankzij krachtige röntgenstraling gegenereerd door de Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL) in het SLAC National Accelerator Laboratory van het DOE.

"Nu we deze fijnere details kennen – hoe de binding werkt in plaats van alleen maar te raden – kunnen we nieuwe diamant-hybridesystemen beter onderzoeken", zegt Abraham Wolcott, hoofdonderzoeker van het onderzoek en hoogleraar aan de SJSU.

Een groot deel van Wolcotts werk betreft nanodiamanten, synthetische diamanten die in stukjes zijn gebroken die zo klein zijn dat je er 40.000 nodig hebt om de breedte van één mensenhaar te overbruggen. Theoretisch gezien hebben nanodiamanten perfecte koolstofroosters, maar af en toe sluipt er een stikstofatoom naar binnen en vervangt een koolstofatoom naast een ontbrekend koolstofatoom. Het is technisch gezien een defect, maar het is nuttig:het defect reageert op magnetische velden, elektrische velden en licht, allemaal bij kamertemperatuur, wat betekent dat nanodiamanten veel toepassingen hebben.

Ze kunnen worden gebruikt als qubits, de basiseenheid van een kwantumcomputer. Als je ze met groen licht raakt, gloeien ze rood, zodat biologen ze in levende cellen kunnen plaatsen en ze kunnen volgen terwijl ze bewegen. Maar wetenschappers kunnen nanodiamanten niet gemakkelijk programmeren om te gaan waar ze willen, en diamantranden zijn puntig en kunnen celmembranen scheuren.

Door ze te coaten met silica worden beide problemen opgelost. Silica vormt een gladde, uniforme schaal die de scherpe randen bedekt. Het creëert ook een aanpasbaar oppervlak, dat wetenschappers kunnen versieren met tags om de deeltjes naar specifieke cellen te sturen, zoals kankercellen of neuronen. "De diamant met silica-omhulsel wordt een controleerbaar systeem", zei Wolcott.

Maar volgens Wolcott zijn wetenschappers het al een tijdje oneens over de manier waarop die schil ontstaat. Zijn team toonde aan dat ammoniumhydroxide met ethanol, chemicaliën die normaal gesproken in het coatingproces worden gebruikt, veel alcoholgroepen op het nanodiamantoppervlak produceert, en die alcoholen vergemakkelijken de groei van de schaal.

"Meer dan tien jaar lang kon niemand het uitleggen", zei Wolcott, "maar we hebben die informatie wel kunnen achterhalen."

Na bestudering van de deeltjes met transmissie-elektronenmicroscopen in het Lawrence Berkeley National Laboratory Molecular Foundry van het DOE, schoten de onderzoekers SSRL-röntgenstralen op nanodiamanten om de oppervlakken te onderzoeken die verborgen zijn onder de silicacoating.

De overgangsrandsensor van SSRL – een supergevoelige thermometer die temperatuurveranderingen registreert en omzet in röntgenenergie – onthulde welke chemische groepen aanwezig waren op de oppervlakken van de nanodiamanten.

Met behulp van een tweede techniek – röntgenabsorptiespectroscopie (XAS) – genereerde het team mobiele elektronen op het nanodiamantoppervlak en ving ze vervolgens op terwijl ze door de silica-schaal reisden en ontsnapten. Hoe dikker de coating, hoe minder elektronen er op het oppervlak terechtkomen. De signalen werkten als een klein meetlint en lieten de dikte van de silicacoating op nanometerschaal zien.

"XAS is krachtig omdat je iets kunt detecteren dat onder water zit, dat verborgen is, zoals diamant onder een silica-omhulsel," zei Wolcott. "Mensen hebben dit nog nooit eerder met nanodiamanten gedaan, dus naast het uitzoeken van het bindingsmechanisme hebben we ook aangetoond dat XAS nuttig is voor materiaalwetenschappers en scheikundigen."

In de toekomst wil Wolcott, die bekend staat om zijn praktische onderzoeksmogelijkheden, studenten aan het werk zetten om nanodiamanten te bekleden met andere materialen. Titaan, zink en andere metaaloxiden zouden bijvoorbeeld nieuwe wegen kunnen openen in kwantumsensoren en biologische labelingstoepassingen.

"Nanodiamanten zijn ongelooflijke microtools met onmiddellijke toepassingen", zegt Karen Lopez, Ph.D. student aan de Universiteit van Californië, Irvine die, net als de andere SJSU-auteurs, als student aan het onderzoek werkte. "Nu we begrijpen hoe de silica-omhulling ontstaat, kunnen we beginnen deze te optimaliseren en uit te breiden naar andere soorten materialen."

Meer informatie: Perla J. Sandoval et al, Quantum Diamonds at the Beach:chemische inzichten in de groei van silica op diamant op nanoschaal met behulp van multimodale karakterisering en simulatie, ACS Nanoscience Au (2023). DOI:10.1021/acsnanoscienceau.3c00033

Geleverd door SLAC National Accelerator Laboratory