![Een transmissie-elektronenmicroscoopafbeelding toont een nanodiamantrooster. De chemici van Rice University gebruikten hun flash Joule-verwarmingstechniek om de fase-evolutie en dotering van koolstof te beheersen. Krediet: Tour Group/Rice University 'Geflitste' nanodiamanten zijn slechts een fase](https://scx1.b-cdn.net/csz/news/800a/2021/flashed-nanodiamonds-a.jpg)
Een transmissie-elektronenmicroscoopafbeelding toont een nanodiamantrooster. De chemici van Rice University gebruikten hun flash Joule-verwarmingstechniek om de fase-evolutie en dotering van koolstof te beheersen. Krediet: Tour Group/Rice University
Diamant is misschien slechts een fase waar koolstof doorheen gaat wanneer het wordt blootgesteld aan een flits van hitte, maar dat maakt het veel gemakkelijker te verkrijgen.
Het laboratorium van de Rice University 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.
Het beste van alles is dat ze het proces naar believen kunnen stoppen om het product te krijgen dat ze willen.
In het tijdschrift American Chemical Society ACS-nano, de onderzoekers, onder leiding van Tour en afgestudeerde student en hoofdauteur Weiyin Chen, laten zien dat het toevoegen van organische fluorverbindingen en fluorideprecursoren aan elementair roet het verandert in verschillende moeilijk te verkrijgen allotropen wanneer het wordt geflitst, waaronder gefluoreerde nanodiamanten, gefluoreerd turbostratisch grafeen en gefluoreerd concentrische koolstof.
Met het flash-proces dat in 2020 is geïntroduceerd, kan een sterke stroomstoot koolstof van vrijwel elke bron in minder dan een seconde omzetten in lagen ongerept turbostratisch grafeen. (“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 de producten tegelijkertijd te wijzigen of te functionaliseren. De duur van de flits, tussen 10 en 500 milliseconden, bepaalt de uiteindelijke koolstofallotroop.
![Een elektronenmicroscoopafbeelding toont een laat stadium in de evolutie van koolstof- en fluoratomen onder flash Joule-verwarming. De koolstofatomen vormen concentrische schillen rond een nanodiamantkern. Naarmate de verwarming vordert, wordt de diamantfase vervangen door de schaal. Krediet: Tour Group/Rice University 'Geflitste' nanodiamanten zijn slechts een fase](https://scx1.b-cdn.net/csz/news/800a/2021/flashed-nanodiamonds-a-1.jpg)
Een elektronenmicroscoopafbeelding toont een laat stadium in de evolutie van koolstof- en fluoratomen onder flash Joule-verwarming. De koolstofatomen vormen concentrische schillen rond een nanodiamantkern. Naarmate de verwarming vordert, wordt de diamantfase vervangen door de schaal. Krediet: Tour Group/Rice University
De moeilijkheid ligt in het bewaren van de fluoratomen, aangezien de ultrahoge temperatuur de vervluchtiging van alle andere atomen dan koolstof veroorzaakt. Om het probleem op te lossen, gebruikte het team een teflonbuis die was afgesloten met grafietafstandhouders en wolfraamstaven met een hoog smeltpunt, die de reactant binnenin kunnen houden en het verlies van fluoratomen onder de ultrahoge temperatuur kunnen voorkomen. De verbeterde afgedichte buis is belangrijk, zei Tour.
“In de industrie worden kleine diamanten al lang gebruikt in snijgereedschappen en als elektrische isolatoren”, zei hij. “De gefluoreerde versie hier biedt 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 ze voor het eerst werden ontdekt in de jaren zestig, werden ze gemaakt onder hitte en hoge druk van ontploffingen.
In de afgelopen jaren hebben onderzoekers chemische processen gevonden om dezelfde roosters te maken. Een rapport van Rice-theoreticus Boris Yakobson vorig jaar liet zien hoe fluor kan helpen nanodiamant te maken zonder hoge druk, en Tour’s eigen laboratorium demonstreerde het gebruik van gepulseerde lasers om teflon in gefluoreerde nanodiamant te veranderen.
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 door Rice en het Army Research Laboratory.
![Het mechanisme van chemici van Rice University voor de fase-evolutie van gefluoreerde flash-nanokoolstoffen toont stadia met langere en grotere energie-invoer. Koolstof- en fluoratomen vormen eerst een diamantrooster, dan grafeen en tenslotte polyedrische concentrische koolstof. Krediet: Weiyin Chen 'Geflitste' nanodiamanten zijn slechts een fase](https://scx1.b-cdn.net/csz/news/800a/2021/flashed-nanodiamonds-a-2.jpg)
Het mechanisme van chemici van Rice University voor de fase-evolutie van gefluoreerde flash-nanokoolstoffen toont stadia met langere en grotere energie-invoer. Koolstof- en fluoratomen vormen eerst een diamantrooster, dan grafeen en tenslotte polyedrische concentrische koolstof. Krediet: Weiyin Chen
Het nieuwe proces vereenvoudigt het dopinggedeelte, niet alleen voor nanodiamanten maar ook voor de andere allotropen. Tour zei dat het Rice-lab ook het gebruik van boor, fosfor en stikstof als additieven onderzoekt.
Bij langere flitstijden kregen de onderzoekers nanodiamanten ingebed in concentrische omhulsels van gefluoreerde koolstof. Een nog langere belichting veranderde de diamant volledig in schelpen, van buiten naar binnen.
“De concentrische schaalstructuren zijn gebruikt als smeermiddeladditieven, en deze flash-methode 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 TT- en WF Chao-leerstoel in de chemie, evenals een professor in computerwetenschappen en materiaalwetenschap en nano-engineering bij Rice.
Weiyin Chen et al, Ultrasnelle en controleerbare fase-evolutie door Flash Joule-verwarming, ACS Nano (2021). DOI: 10.1021/acsnano.1c03536
ACS Nano
Geleverd door Rice University