Sembrano armi futuristiche, ma i cannoni elettronici sono in realtà strumenti di lavoro per la ricerca e l'industria:emettono flussi di elettroni per i microscopi elettronici, apparecchiature per la modellazione di semiconduttori e acceleratori di particelle, per citare alcuni usi importanti.

Ora gli scienziati della Stanford University e il National Accelerator Laboratory del Dipartimento di Energia SLAC hanno scoperto come aumentare questi flussi di elettroni 13, 000 volte applicando un singolo strato di diamante:minuscolo, perfette gabbie di diamante – fino alla punta d'oro affilata di un cannone elettronico.

I risultati, pubblicato oggi in Nanotecnologia della natura , suggerire un approccio completamente nuovo per aumentare la potenza di questi dispositivi. Forniscono anche una strada per la progettazione di altri tipi di emettitori di elettroni con precisione atomo per atomo, ha detto Nick Melosh, un professore associato presso SLAC e Stanford che ha guidato lo studio.

I diamantini sono gabbie ad incastro fatte di atomi di carbonio e idrogeno. Sono i pezzi di diamante più piccoli possibili, ciascuno pesa meno di un miliardesimo di miliardesimo di carato. Quella piccola taglia, insieme al loro rigido, struttura robusta ed elevata purezza chimica, dare loro proprietà utili che mancano ai diamanti più grandi.

SLAC e Stanford sono diventati uno dei principali centri mondiali per la ricerca sui diamanti. Gli studi sono condotti attraverso SIMES, lo Stanford Institute for Materials and Energy Sciences, e un laboratorio allo SLAC è dedicato all'estrazione di diamondoidi dal petrolio.

Nel 2007, un team guidato da molti degli stessi ricercatori SIMES ha mostrato che un singolo strato di diamante su una superficie metallica potrebbe emettere e focalizzare gli elettroni in un minuscolo raggio con una gamma di energie molto ristretta.

Il nuovo studio ha esaminato se un rivestimento diamantato potrebbe anche migliorare le emissioni dei cannoni elettronici.

Un modo per aumentare la potenza di un cannone elettronico è rendere la punta davvero affilata, che rende più facile far uscire gli elettroni, ha detto Melosh. Ma queste punte affilate sono instabili; anche piccole irregolarità possono influenzare le loro prestazioni. I ricercatori hanno cercato di aggirare questo problema rivestendo le punte con sostanze chimiche che aumentano l'emissione di elettroni, ma questo può essere problematico perché alcuni dei più efficaci si incendiano se esposti all'aria.

Per questo studio, gli scienziati hanno utilizzato minuscoli nanopilastri di filo di germanio come sostituti delle punte dei cannoni elettronici. Hanno rivestito i fili con oro e poi con diamanti di varie dimensioni.

Quando gli scienziati hanno applicato una tensione ai nanofili per stimolare il rilascio di elettroni dalle punte, hanno scoperto di ottenere i migliori risultati da punte ricoperte di diamante che consistono in quattro "gabbie". Questi hanno rilasciato un enorme 13, 000 volte più elettroni delle punte d'oro nude.

Ulteriori test e simulazioni al computer suggeriscono che l'aumento non era dovuto a cambiamenti nella forma della punta o nella superficie dell'oro sottostante. Anziché, sembra che alcune delle molecole di diamante nella punta abbiano perso un singolo elettrone - non è chiaro esattamente come. Questo ha creato una carica positiva che ha attratto gli elettroni dalla superficie sottostante e ha reso più facile per loro fluire fuori dalla punta, ha detto Melosh.

"La maggior parte delle altre molecole non sarebbe stabile se rimuovessi un elettrone; cadrebbero a pezzi, " ha detto. "Ma la natura simile a una gabbia del diamante lo rende insolitamente stabile, ed è per questo che questo processo funziona. Ora che abbiamo capito cosa sta succedendo, potremmo essere in grado di usare quella conoscenza per progettare altri materiali che sono davvero bravi a emettere elettroni".