(mining.com) - Исследователи из Университета Северного Техаса (University of North Texas) разработали метод выращивания сверходнородных наноалмазов без использования взрывчатых веществ.
Крошечные драгоценные камни размером всего в несколько нанометров имеют решающее значение для доставки лекарств в нужное место, для производства сенсоров и процессоров квантовых компьютеров. Таким образом, обеспечение их постоянного размера имеет важное значение для успеха этих технологий.
«Поразительно, что, хотя алмаз довольно прост с химической точки зрения - он состоит из одного элемента, углерода, - сделать этот материал в нанометровом масштабе чрезвычайно сложно», - сказал Хао Янь (Hao Yan), главный исследователь проекта, в заявлении для СМИ.
Углерод становится алмазом, когда атомы этого элемента приобретают жесткую трехмерную кубическую структуру в условиях высокого давления и высокой температуры. Исследователи ранее создавали наноалмазы в лаборатории, взрывая взрывчатые вещества, такие как тротил, в герметичном контейнере из нержавеющей стали.
Взрыв превращает углерод взрывчатого вещества в крошечные алмазные частицы. Однако этот грубый метод трудно контролировать, а образующиеся кристаллы неравномерны по размеру, что требует дополнительных шагов для их сортировки для применения в разных технологиях.
Чтобы разработать более точный способ получения наноалмазов, группа Яня изучила химические вещества и процессы, которые использует природа.
«Мы поняли, что в местах, где в мантии Земли образуются алмазы, содержится много железа и железоуглеродистых соединений, в том числе карбидов и карбонатов, - сказал ученый. - И когда карбид железа вступает в реакцию с оксидом железа между корой и верхней мантией, растут алмазы».
Вооружившись этими знаниями, Тентен Люй (Tengteng Lyu), аспирант лаборатории Яня, разработал химический процесс, имитирующий литосферную среду, находящуюся под поверхностью планеты.
Во-первых, Люй создал наночастицы карбида железа одинакового размера в качестве источника углерода для алмазов. Крошечные частицы разбросаны по всей матрице оксида железа, аналогично тому, как карбид железа представляет собой шоколадную крошку в тесте для печенья.
Затем Люй поместил «тесто» из предшественника углерода в среду с высоким давлением и высокой температурой, аналогичную условиям в местах, где образуются природные алмазы. Соединения прореагировали, и образовались очень однородные наноалмазы. Этот новый метод позволяет получать кристаллы шириной до 2 нм с разницей между ними менее нанометра. Янь говорит, что это на порядок лучше, чем то, что кто-либо может сделать без дополнительных этапов обработки или очистки после синтеза.
Верх совершенства
По словам Яня, создание однородных, совершенных наноалмазов - это большой успех, но эти материалы могут быть еще более полезными, когда они имеют дефекты, такие как пустые места в структуре алмаза и замена соседних атомов углерода атомами азота, кремния, никеля или других элементов.
Поскольку неуглеродные атомы слегка окрашивают материал, их называют «центрами окраски». Очень желательно иметь наночастицы только с одним центром окраски, потому что они могут безопасно хранить информацию в квантовых компьютерах и телекоммуникационных устройствах.
Для бомбардировки алмаза и включения этих элементов в структуру кристалла традиционно используется высокоэнергетический пучок атомов, таких как азот или кремний. Однако этот метод не может контролировать, сколько центров окраски добавляется к одному алмазу, и требуется этап последующей обработки для получения кристаллов с одноатомным дефектом. Кроме того, когда диаметры алмазов уменьшаются до 2-3 нм, что является диапазоном размеров, который команда Яня теперь может стабильно получать, такой подход с использованием пучка атомов становится энергетически невыгодным.
Но Янь думает, что с помощью своего нового метода они смогут найти способ заменить один углерод из тысяч, присутствующих в их «тесте» из предшественника углерода. По его оценкам, теперь они могли бы производить достаточно наноалмазов с одноцветным центром для пары тысяч квантовых компьютеров с помощью одного экспериментального процесса синтеза.
