Gli scienziati sono entusiasti dei diamanti, non dei tipi che adornano i gioielli, ma la varietà microscopica che è inferiore alla larghezza di un capello umano. Questi cosiddetti "nanodiamanti" sono costituiti quasi interamente da carbonio. Ma introducendo altri elementi nel reticolo cristallino del nanodiamante - un metodo noto come "doping" - i ricercatori potrebbero produrre tratti utili nella ricerca medica, computazione e non solo.

In un articolo pubblicato il 3 maggio in Progressi scientifici , ricercatori dell'Università di Washington, il Naval Research Laboratory degli Stati Uniti e il Pacific Northwest National Laboratory hanno annunciato di poter utilizzare pressioni e temperature estremamente elevate per drogare i nanodiamanti. Il team ha utilizzato questo approccio per drogare i nanodiamanti con il silicio, facendo brillare i diamanti di un rosso intenso, una proprietà che li renderebbe utili per l'imaging di cellule e tessuti.

Il team ha scoperto che il loro metodo potrebbe anche drogare i nanodiamanti con argon, un gas nobile e un elemento non reattivo correlato all'elio che si trova nei palloncini. I nanodiamanti drogati con tali elementi potrebbero essere applicati alla scienza dell'informazione quantistica, un campo in rapida espansione che include la comunicazione quantistica e l'informatica quantistica.

"Il nostro approccio ci consente di drogare intenzionalmente altri elementi all'interno dei nanocristalli di diamante selezionando attentamente i materiali di partenza molecolari utilizzati durante la loro sintesi, " ha detto l'autore corrispondente Peter Pauzauskie, un professore associato di scienza dei materiali e ingegneria e ricercatore presso il Pacific Northwest National Laboratory.

Esistono altri metodi per drogare i nanodiamanti, come l'impianto ionico, ma questo processo spesso danneggia la struttura cristallina e gli elementi introdotti vengono posizionati in modo casuale, che limita le prestazioni e le applicazioni. Qui, i ricercatori hanno deciso di non drogare i nanodiamanti dopo che erano stati sintetizzati. Anziché, hanno drogato gli ingredienti molecolari per creare nanodiamanti con l'elemento che volevano introdurre, ha quindi utilizzato alte temperature e pressioni per sintetizzare i nanodiamanti con gli elementi inclusi.

In linea di principio, è come fare una torta:è molto più semplice ed efficace aggiungere lo zucchero all'impasto, piuttosto che cercare di aggiungere zucchero alla torta dopo la cottura.

Il punto di partenza del team per i nanodiamanti era un materiale ricco di carbonio, simile al carbone di legna, ha detto Pauzauskie, che i ricercatori hanno trasformato in un peso leggero, matrice porosa nota come aerogel. Hanno quindi drogato l'aerogel di carbonio con una molecola contenente silicio chiamata ortosilicato di tetraetile, che è stato integrato chimicamente all'interno dell'aerogel di carbonio. I ricercatori hanno sigillato i reagenti all'interno della guarnizione di una cella a incudine di diamante, che potrebbe generare pressioni fino a 15 gigapascal all'interno della guarnizione. Per riferimento, 1 gigapascal corrisponde a circa 10, 000 atmosfere di pressione, o 10 volte la pressione nella parte più profonda dell'oceano.

Per evitare che l'aerogel venga schiacciato a pressioni così estreme, usavano l'argon, che diventa solido a 1,8 gigapascal, come mezzo di pressione. Dopo aver caricato il materiale ad alta pressione, i ricercatori hanno usato un laser per riscaldare la cella sopra 3, 100 F, più di un terzo della temperatura superficiale del sole. In collaborazione con E. James Davis, un professore emerito di ingegneria chimica alla UW, hanno visto che a queste temperature l'argon solido si scioglie per formare un fluido supercritico.

Attraverso questo processo, l'aerogel di carbonio è stato convertito in nanodiamanti contenenti difetti puntiformi luminescenti formati dalle molecole droganti a base di silicio. I nanodiamanti hanno emesso una luce rosso intenso a una lunghezza d'onda di circa 740 nanometri, che è utile nell'imaging medico. I nanodiamanti drogati con altri elementi potrebbero emettere altri colori.

"Possiamo lanciare un dardo sulla tavola periodica e, fintanto che l'elemento che colpiamo è solubile nel diamante, potremmo incorporarlo deliberatamente nel nanodiamante usando questo metodo, " ha detto Pauzauskie. "Si potrebbe fare un ampio spettro di nanodiamanti che emettono colori diversi per scopi di imaging. Potremmo anche essere in grado di utilizzare questo approccio di drogaggio molecolare per creare difetti puntuali più complessi con due o più atomi droganti diversi, compresi difetti completamente nuovi che non sono stati creati prima."

Sorprendentemente, i ricercatori hanno scoperto che i loro nanodiamanti contenevano anche altri due elementi che non avevano intenzione di introdurre:l'argon usato come mezzo di pressione e l'azoto dall'aria. Proprio come il silicio che i ricercatori avevano intenzione di introdurre, gli atomi di azoto e argon erano stati completamente incorporati nella struttura cristallina del nanodiamante.

Questo segna la prima volta che gli scienziati hanno usato l'alta temperatura, assemblaggio ad alta pressione per introdurre un elemento di gas nobile, l'argon, in una struttura reticolare di nanodiamanti. Non è facile forzare gli atomi non reattivi ad associarsi con altri materiali in un composto.

"Questo è stato un caso fortuito, una sorpresa completa, " ha detto Pauzauskie. "Ma il fatto che l'argon sia stato incorporato nei nanodiamanti significa che questo metodo è potenzialmente utile per creare altri difetti puntuali che hanno il potenziale per l'uso nella ricerca sulla scienza dell'informazione quantistica".

I ricercatori sperano di drogare intenzionalmente i nanodiamanti con lo xeno, un altro gas nobile, per un possibile utilizzo in campi come le comunicazioni quantistiche e il rilevamento quantistico.

Finalmente, il metodo del team potrebbe anche aiutare a risolvere un mistero cosmico:i nanodiamanti sono stati trovati nello spazio, e qualcosa là fuori, come le supernovae o le collisioni ad alta energia, le droga con gas nobili. Sebbene i metodi sviluppati da Pauzauskie e dal suo team siano per drogare i nanodiamanti qui sulla Terra, le loro scoperte potrebbero aiutare gli scienziati a scoprire quali tipi di eventi extraterrestri innescano il doping cosmico lontano da casa.