Rivestire qualcosa di raro, piccoli frammenti di diamante, con l'ingrediente principale della sabbia potrebbe sembrare insolito, ma il risultato finale risulta avere una serie di preziose applicazioni. Il problema è che nessuno sa con certezza come si legano i due materiali.
Ora, i ricercatori della San Jose State University (SJSU) riferiscono sulla rivista ACS Nanoscience Au che i gruppi chimici alcolici sulla superficie di un diamante sono responsabili di gusci di silice utilmente uniformi, un risultato che potrebbe aiutarli a creare nanodiamanti rivestiti di silice migliori:piccoli strumenti con applicazioni dalla bioetichettatura delle cellule tumorali al rilevamento quantistico.
Il team ha svelato il meccanismo di legame grazie ai potenti raggi X generati dalla sorgente luminosa di radiazione di sincrotrone di Stanford (SSRL) presso lo SLAC National Accelerator Laboratory del DOE.
"Ora che conosciamo questi dettagli più fini - come funziona il legame invece di limitarci a fare supposizioni - possiamo esplorare meglio nuovi sistemi ibridi di diamanti", ha affermato Abraham Wolcott, il ricercatore principale dello studio e professore della SJSU.
Gran parte del lavoro di Wolcott riguarda i nanodiamanti, diamanti sintetici frantumati in pezzi così piccoli che ne servirebbero 40.000 per coprire la larghezza di un singolo capello umano. Teoricamente, i nanodiamanti hanno reticoli di carbonio perfetti, ma occasionalmente un atomo di azoto si insinua e sostituisce un atomo di carbonio accanto a un atomo di carbonio mancante. Tecnicamente è un difetto, ma è utile:il difetto risponde ai campi magnetici, elettrici e alla luce, il tutto a temperatura ambiente, il che significa che i nanodiamanti hanno molte applicazioni.
Possono essere usati come qubit, l’unità di base per un computer quantistico. Colpiscili con la luce verde, si illuminano di rosso, così i biologi possono metterli in cellule viventi e seguirli mentre si muovono. Ma gli scienziati non possono programmare facilmente i nanodiamanti affinché vadano dove vogliono, e i bordi dei diamanti sono appuntiti e possono rompere le membrane cellulari.
Rivestirli con silice risolve entrambi i problemi. La silice forma un guscio liscio e uniforme che ricopre gli spigoli vivi. Crea anche una superficie modificabile, che gli scienziati possono decorare con etichette per dirigere le particelle verso cellule specifiche, come cellule tumorali o neuroni. "Il diamante con guscio di silice diventa un sistema controllabile", ha detto Wolcott.
Ma da qualche tempo, ha detto Wolcott, gli scienziati sono in disaccordo su come si forma il guscio. Il suo team ha dimostrato che l'idrossido di ammonio con etanolo, sostanze chimiche normalmente incluse nel processo di rivestimento, produce molti gruppi alcolici sulla superficie del nanodiamante e tali alcoli facilitano la crescita del guscio.
"Nessuno è stato in grado di spiegarlo per oltre 10 anni", ha detto Wolcott, "ma siamo riusciti a ricavare quell'informazione."
Dopo aver studiato le particelle con microscopi elettronici a trasmissione presso la fonderia molecolare del laboratorio nazionale Lawrence Berkeley del DOE, i ricercatori hanno sparato raggi X SSRL ai nanodiamanti per esplorare le superfici nascoste sotto il rivestimento di silice.
Il sensore del bordo di transizione di SSRL, un termometro super sensibile che raccoglie i cambiamenti di temperatura e li converte in energie di raggi X, ha rivelato quali gruppi chimici erano presenti sulle superfici dei nanodiamanti.
Utilizzando una seconda tecnica, la spettroscopia di assorbimento dei raggi X (XAS), il team ha generato elettroni mobili sulla superficie del nanodiamante, quindi li ha catturati mentre viaggiavano attraverso il guscio di silice e fuggivano. Più spesso è il rivestimento, meno elettroni raggiungono la superficie. I segnali funzionavano come un minuscolo nastro di misurazione, mostrando lo spessore del rivestimento di silice su scala nanometrica.
"XAS è potente perché puoi rilevare qualcosa che è sommerso, che è nascosto, come un diamante sotto un guscio di silice", ha detto Wolcott. "Le persone non hanno mai fatto una cosa del genere prima con i nanodiamanti, quindi oltre a capire il meccanismo di legame, abbiamo anche dimostrato che XAS è utile per scienziati dei materiali e chimici."
In futuro, Wolcott, noto per offrire opportunità di ricerca pratica, vuole mettere gli studenti a lavorare rivestendo i nanodiamanti con altri materiali. Il titanio, lo zinco e altri ossidi metallici, ad esempio, potrebbero aprire nuove strade nelle applicazioni di rilevamento quantistico e di etichettatura biologica.
"I nanodiamanti sono microstrumenti incredibili con applicazioni immediate", ha affermato Karen Lopez, dottoranda in ingegneria biomedica. studente dell'Università della California, Irvine che, come gli altri autori della SJSU, ha lavorato allo studio come studente universitario. "Ora che comprendiamo come si forma il guscio di silice, possiamo iniziare a ottimizzarlo ed espanderlo ad altri tipi di materiali."
Ulteriori informazioni: Perla J. Sandoval et al, Quantum Diamonds at the Beach:Chemical Insights in Silica Growth on Nanoscale Diamond utilizzando la caratterizzazione e la simulazione multimodale, ACS Nanoscience Au (2023). DOI:10.1021/acsnanoscienceau.3c00033
Fornito da SLAC National Accelerator Laboratory
