I nanomateriali hanno il potenziale per migliorare molte tecnologie di prossima generazione. Promettono di accelerare i chip dei computer, aumentare la risoluzione dei dispositivi di imaging medico e rendere l'elettronica più efficiente dal punto di vista energetico. Ma conferire ai nanomateriali le proprietà giuste può richiedere molto tempo e denaro. Una nuova, un metodo rapido ed economico per la costruzione di nanomateriali ibridi a base di diamanti potrebbe presto lanciare il campo in avanti.

I ricercatori dell'Università del Maryland hanno sviluppato un metodo per costruire nanoparticelle ibride a base di diamante in grandi quantità da zero, aggirando così molti dei problemi con i metodi attuali. La tecnica è descritta nell'8 giugno Numero 2016 della rivista Comunicazioni sulla natura .

Il processo inizia con piccoli, diamanti su scala nanometrica che contengono un tipo specifico di impurità:un singolo atomo di azoto dove dovrebbe essere un atomo di carbonio, con uno spazio vuoto accanto, risultante da un secondo atomo di carbonio mancante. Questa impurità "vacanza di azoto" conferisce a ciascun diamante speciali proprietà ottiche ed elettromagnetiche.

Attaccando altri materiali ai grani di diamante, come particelle metalliche o materiali semiconduttori noti come "punti quantici, " i ricercatori possono creare una varietà di nanoparticelle ibride personalizzabili, compresi semiconduttori su nanoscala e magneti con proprietà su misura.

"Se abbini uno di questi diamanti a nanoparticelle d'argento o d'oro, il metallo può migliorare le proprietà ottiche del nanodiamante. Se accoppi il nanodiamante a un punto quantico semiconduttore, la particella ibrida può trasferire energia in modo più efficiente, " disse Min Ouyang, professore associato di fisica all'UMD e autore senior dello studio.

L'evidenza suggerisce anche che una singola vacanza di azoto mostra proprietà fisiche quantistiche e potrebbe comportarsi come un bit quantico, o qubit, a temperatura ambiente, secondo Ouyang. I qubit sono le unità funzionali della tecnologia di calcolo quantistico ancora sfuggente, che un giorno potrebbe rivoluzionare il modo in cui gli esseri umani memorizzano ed elaborano le informazioni. Quasi tutti i qubit studiati fino ad oggi richiedono temperature ultra fredde per funzionare correttamente.

Un qubit che funzioni a temperatura ambiente rappresenterebbe un significativo passo avanti, facilitando l'integrazione di circuiti quantistici nell'industria, elettronica commerciale e di consumo. I nuovi nanomateriali ibridi diamante descritti in Comunicazioni sulla natura mantenere una promessa significativa per migliorare le prestazioni dei posti vacanti di azoto quando usati come qubit, ha notato Ouyang.

Mentre tali applicazioni promettono per il futuro, La principale scoperta di Ouyang e colleghi è il loro metodo per costruire le nanoparticelle ibride. Sebbene altri ricercatori abbiano accoppiato nanodiamanti con nanoparticelle complementari, tali sforzi si basavano su metodi relativamente imprecisi, come installare manualmente i diamanti e le particelle uno accanto all'altro su una superficie più ampia uno per uno. Questi metodi sono costosi, richiede tempo e introduce una serie di complicazioni, dicono i ricercatori.

"La nostra innovazione chiave è che ora possiamo produrre in modo affidabile ed efficiente queste particelle ibride indipendenti in grandi quantità, " ha spiegato Ouyang, che ha anche incarichi nell'UMD Center for Nanophysics and Advanced Materials e nel Maryland NanoCenter, con una cattedra affiliata nel Dipartimento di Scienza e Ingegneria dei Materiali UMD.

Il metodo sviluppato da Ouyang e dai suoi colleghi, Jianxiao Gong, ricercatore in fisica dell'UMD e studente laureato in fisica Nathaniel Steinsultz, consente inoltre un controllo preciso delle proprietà delle particelle, come la composizione e il numero totale di particelle non di diamante. Le nanoparticelle ibride potrebbero accelerare la progettazione di qubit a temperatura ambiente per computer quantistici, coloranti più brillanti per l'imaging biomedico, e sensori magnetici e di temperatura altamente sensibili, per citare alcuni esempi.

"I materiali ibridi hanno spesso proprietà uniche che derivano dalle interazioni tra i diversi componenti dell'ibrido. Ciò è particolarmente vero nei materiali nanostrutturati in cui possono verificarsi forti interazioni quantomeccaniche, " ha detto Matthew Doty, un professore associato di scienza e ingegneria dei materiali presso l'Università del Delaware che non era coinvolto nello studio. "Il nuovo metodo del team UMD crea un'opportunità unica per la produzione in serie di materiali ibridi su misura. Mi aspetto che questo progresso consentirà una serie di nuovi approcci per le tecnologie di rilevamento e diagnostica".

Le proprietà speciali dei nanodiamanti sono determinate dalle loro vacanze di azoto, che causano difetti nella struttura cristallina del diamante. I diamanti puri sono costituiti da un reticolo ordinato di atomi di carbonio e sono completamente trasparenti. Però, i diamanti puri sono piuttosto rari nei giacimenti di diamanti naturali; la maggior parte presenta difetti derivanti da impurità diverse dal carbonio come azoto, boro e fosforo. Tali difetti creano le sottili e desiderabili variazioni di colore viste nei diamanti delle pietre preziose.

I diamanti su scala nanometrica utilizzati nello studio sono stati creati artificialmente, e avere almeno un posto vacante di azoto. Questa impurità si traduce in una struttura di legame alterata nel reticolo di carbonio altrimenti ordinato. Il legame alterato è la fonte dell'ottica, proprietà fisiche elettromagnetiche e quantistiche che rendono i diamanti utili quando accoppiati con altri nanomateriali.

Sebbene l'attuale studio descriva diamanti con sostituzioni di azoto, Ouyang sottolinea che la tecnica può essere estesa anche ad altre impurità del diamante, ognuna delle quali potrebbe aprire nuove possibilità.

"Un importante punto di forza della nostra tecnica è che è ampiamente utile e può essere applicato a una varietà di tipi di diamanti e abbinato a una varietà di altri nanomateriali, " Ha spiegato Ouyang. "Può anche essere scalato abbastanza facilmente. Siamo interessati a studiare ulteriormente la fisica di base, ma anche verso applicazioni specifiche. Il potenziale per l'entanglement quantistico a temperatura ambiente è particolarmente eccitante e importante".