Extreem kleine diamanten van uniforme grootte laten groeien – zonder explosieven

Diamanten zijn niet alleen glinsterende, sprankelende edelstenen voor sieraden. De kleinste, slechts enkele nanometers breed, zijn ook cruciaal voor medicijnafgifte, sensoren en kwantumcomputerprocessors. Het produceren van diamanten nanodeeltjes met een consistente grootte is belangrijk voor het succes van deze technologieën. Nu rapporteren wetenschappers een methode om ultra-uniforme nanodiamanten te kweken zonder de noodzaak van explosieven. De techniek zou ook kunnen worden gebruikt om gunstige enkelvoudige atoomdefecten toe te voegen aan verder perfecte kristallen.

De onderzoekers presenteren hun resultaten vandaag op de voorjaarsbijeenkomst van de American Chemical Society (ACS).

“Het is fascinerend dat hoewel een diamant chemisch vrij eenvoudig is – het is één element, koolstof – het buitengewoon moeilijk is om dit materiaal op nanometerschaal te maken”, zegt Hao Yan, Ph.D., de hoofdonderzoeker van het project.

Koolstof wordt een diamant wanneer atomen van dit element onder hoge druk en hoge temperatuur in een star 3D-kubuspatroon worden gerangschikt. Onderzoekers hebben eerder nanodiamanten in het laboratorium gemaakt door een explosief, zoals trinitrotolueen (bekend als TNT), tot ontploffing te brengen in een verzegelde roestvrijstalen container. De ontploffing zet de koolstof in het explosieve materiaal om in kleine diamantdeeltjes. Deze ruwe methode is echter moeilijk te controleren, legt Yan uit. De gevormde kristallen zijn ongelijk in grootte, waardoor extra stappen nodig zijn om ze voor verschillende technologieën te sorteren.

Om een ​​preciezere manier te bedenken om nanodiamanten te maken, onderzocht de groep van Yan aan de Universiteit van Noord-Texas de chemie die de natuur gebruikt. “We realiseerden ons dat plaatsen waar diamanten worden gevormd in de aardmantel veel ijzer en ijzer-koolstofverbindingen bevatten, waaronder carbiden en carbonaten”, zegt Yan. En wanneer ijzercarbide reageert met ijzeroxide tussen de korst en de bovenmantel, groeien diamanten.

Gewapend met deze kennis ontwierp Tengteng Lyu, een afgestudeerde student in het lab van Yan die hun werk op de bijeenkomst presenteert, een chemisch proces om de lithosferische omgeving onder het aardoppervlak te imiteren. Eerst creëerde Lyu even grote nanodeeltjes van ijzercarbide als koolstofbron voor de diamanten. De kleine deeltjes waren verspreid over een ijzeroxidematrix, alsof het ijzercarbide chocoladeschilfers in koekjesdeeg waren.

Vervolgens plaatste Lyu het koolstof-voorloper “deeg” in een omgeving met hoge druk en hoge temperatuur, vergelijkbaar met de omstandigheden op locaties waar natuurlijke diamanten worden gevormd. De verbindingen reageerden en er ontstonden zeer uniforme nanodiamanten. De nieuwe methode maakt kristallen zo klein als 2 nm breed met onderlinge verschillen van minder dan een nanometer. Yan zegt dat dit een orde van grootte beter is dan iemand kan doen zonder extra post-synthetische behandelings- of zuiveringsstappen.

Het creëren van uniforme, perfecte nanodiamanten is geweldig, zegt Yan, maar deze materialen kunnen nog nuttiger zijn als ze defecten hebben, zoals lege plekken in de diamantstructuur en de vervanging van naburige koolstofatomen door stikstof, silicium, nikkel of een ander element. Omdat de niet-koolstofatomen het materiaal enigszins kleuren, worden ze ‘kleurcentra’ genoemd. Nanodeeltjes met slechts één kleurcentrum zijn zeer wenselijk omdat ze informatie veilig kunnen opslaan in kwantumcomputers en telecommunicatieapparatuur.

Traditioneel wordt een hoogenergetische bundel van atomen, zoals stikstof of silicium, gebruikt om de diamant te bombarderen en deze elementen in de kristalstructuur in te bedden. Deze methode kan echter niet bepalen hoeveel kleurcentra er aan één diamant worden toegevoegd, waardoor nabewerkingsstappen nodig zijn om kristallen met een enkelvoudig atoomdefect te krijgen. Bovendien, volgens Lyu’s uitgebreide computationele modelleringswerk, wanneer de diameters van diamanten krimpen tot 2-3 nm – het groottebereik dat het team van Yan nu consistent kan maken – wordt deze atoombundelbenadering energetisch ongunstig. Maar met hun nieuwe methode denkt Yan dat ze een manier kunnen bedenken om één koolstof van de duizenden in hun koolstof-precursor “deeg” te vervangen. Hij schat dat ze nu met één synthese-experiment genoeg eenkleurige centrale nanodiamanten kunnen maken voor een paar duizend kwantumcomputers, hoewel de kleine kristallen goed moeten worden gerangschikt voordat berekeningen kunnen worden gemaakt.

“We hebben nu een ideaal platform om een ​​manier te bedenken om een ​​eenkleurige centrale nanodiamant te maken, wat een doorbraak is voor een aantal diamantgerelateerde technologieën. Maar ook, in bredere zin, zou het een fascinerende demonstratie zijn van hoe je kan een enkel atoom besturen in een veel grotere structuur”, zegt Yan.