I diamanti non sono solo gemme scintillanti e scintillanti per gioielli. I più piccoli, larghi solo pochi nanometri, sono fondamentali anche per la somministrazione di farmaci, sensori e processori per computer quantistici. La produzione di nanoparticelle di diamante di dimensioni costanti è importante per il successo di queste tecnologie. Ora, gli scienziati segnalano un metodo per coltivare nanodiamanti ultra-uniformi senza la necessità di esplosivi. La tecnica potrebbe anche essere utilizzata per aggiungere benefici difetti di un singolo atomo in cristalli altrimenti perfetti.

I ricercatori presenteranno i loro risultati oggi alla riunione di primavera dell'American Chemical Society (ACS).

"È affascinante che, sebbene un diamante sia chimicamente piuttosto semplice (è un elemento, il carbonio), realizzare questo materiale su scala nanometrica sia estremamente difficile", afferma Hao Yan, Ph.D., ricercatore principale del progetto.

Il carbonio diventa un diamante quando gli atomi di questo elemento sono disposti in uno schema cubico 3D rigido in condizioni di alta pressione e alta temperatura. I ricercatori in precedenza hanno creato nanodiamanti in laboratorio facendo esplodere un esplosivo, come il trinitrotoluene (noto come TNT), in un contenitore sigillato di acciaio inossidabile. L'esplosione converte il carbonio nel materiale esplosivo in minuscole particelle di diamante. Tuttavia, questo metodo grezzo è difficile da controllare, spiega Yan. I cristalli che si formano non sono di dimensioni uniformi, pertanto sono necessari passaggi aggiuntivi per ordinarli in base alle diverse tecnologie.

Per escogitare un modo più preciso per creare nanodiamanti, il gruppo di Yan dell'Università del Texas settentrionale ha esaminato la chimica utilizzata dalla natura. "Ci siamo resi conto che i luoghi in cui si formano i diamanti nel mantello terrestre contengono molti composti di ferro e ferro-carbonio, inclusi carburi e carbonati", afferma Yan. E quando il carburo di ferro reagisce con l'ossido di ferro tra la crosta e il mantello superiore, i diamanti crescono.

Forte di questa conoscenza, Tengteng Lyu, uno studente laureato nel laboratorio di Yan che presenta il proprio lavoro all'incontro, ha progettato un processo chimico per imitare l'ambiente litosferico che si trova sotto la superficie terrestre. In primo luogo, Lyu ha creato nanoparticelle di carburo di ferro di dimensioni uniformi come fonte di carbonio per i diamanti. Le minuscole particelle erano sparse su una matrice di ossido di ferro, come se il carburo di ferro fosse scaglie di cioccolato all'interno dell'impasto dei biscotti.

Quindi, Lyu ha posizionato la "pasta" del precursore del carbonio in un ambiente ad alta pressione e ad alta temperatura, simile alle condizioni nei luoghi in cui si formano i diamanti naturali. I composti hanno reagito e ne sono derivati ​​nanodiamanti molto uniformi. Il nuovo metodo rende cristalli piccoli fino a 2 nm di larghezza con differenze tra loro inferiori a un nanometro. Yan afferma che questo è un ordine di grandezza migliore di quanto chiunque possa fare senza ulteriori fasi di trattamento o purificazione post-sintetica.

Creare nanodiamanti uniformi e perfetti è fantastico, afferma Yan, ma questi materiali possono essere ancora più utili quando presentano difetti, come punti vuoti nella struttura del diamante e la sostituzione degli atomi di carbonio vicini con azoto, silicio, nichel o un altro elemento. Poiché gli atomi non di carbonio colorano leggermente il materiale, sono chiamati "centri di colore". Le nanoparticelle con un solo centro colore sono altamente desiderabili perché possono archiviare in modo sicuro le informazioni nei computer quantistici e nei dispositivi di telecomunicazione.

Tradizionalmente, un fascio di atomi ad alta energia, come azoto o silicio, viene utilizzato per bombardare il diamante e incorporare questi elementi nella struttura del cristallo. Tuttavia, questo metodo non è in grado di controllare quanti centri colore vengono aggiunti a un diamante, richiedendo fasi di post-elaborazione per ottenere cristalli con un difetto di un singolo atomo. Inoltre, secondo l'ampio lavoro di modellazione computazionale di Lyu, quando i diametri dei diamanti si riducono a 2-3 nm, l'intervallo di dimensioni che il team di Yan ora può realizzare in modo coerente, questo approccio del raggio atomico diventa energeticamente sfavorevole. Ma con il loro nuovo metodo, Yan pensa di poter progettare un modo per sostituire un carbonio delle migliaia presenti nel loro "impasto" precursore del carbonio. Stima che ora potrebbero produrre abbastanza nanodiamanti centrali a colore singolo per un paio di migliaia di computer quantistici con un esperimento di sintesi, anche se i minuscoli cristalli dovrebbero essere disposti correttamente prima di poter effettuare i calcoli.

"Ora abbiamo una piattaforma ideale per escogitare un modo per creare un nanodiamante centrale a colore singolo, che rappresenta una svolta per una serie di tecnologie relative ai diamanti. Ma anche, in un senso più ampio, sarebbe un'affascinante dimostrazione di come si può controllare un singolo atomo in una struttura molto più grande", afferma Yan. + Esplora ulteriormente

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