Die kleinsten Diamanten, nur wenige Nanometer breit, werden häufig in Sensoren und verwendet
Wissenschaftler berichten über Anbaumethodeultrahomogene Nanodiamanten ohne den Einsatz von Sprengstoffen. Der zweite Vorteil des neuen Verfahrens ist das Hinzufügen nützlicher einatomiger Defekte zu ansonsten idealen Diamanten.
„Es ist überraschend, dass Diamant zwar chemisch ziemlich isteinfach - es ist ein Element, Kohlenstoff - es ist extrem schwierig, dieses Material im Nanometerbereich herzustellen", sagt Hao Yang, der Hauptforscher des Projekts.
Kohlenstoff wird zu Diamant, wenn die Atome diesesElemente reihen sich unter hohen Druck- und Temperaturbedingungen in einem starren dreidimensionalen Würfelmuster aneinander. Forscher haben zuvor Nanodiamanten im Labor hergestellt, indem sie einen Sprengstoff wie Trinitrotoluol in einem versiegelten Edelstahlbehälter zur Detonation gebracht haben. Die Explosion verwandelt den Kohlenstoff in dem explosiven Material in winzige Diamantpartikel. Allerdings ist diese Methode schwer zu kontrollieren, erklären die Forscher. Außerdem haben die resultierenden Kristalle keine einheitliche Größe, was zusätzliche Schritte erfordert, um sie zu sortieren.
Um eine präzisere Methode zur Herstellung von Nanodiamanten zu entwickeln, untersuchten Wissenschaftler die „Chemie“, die die Natur verwendet.
„Wir haben festgestellt, dass die Orte, an denen Diamanten im Erdmantel entstehen, viele Eisen- und Eisen-Kohlenstoff-Verbindungen enthalten, darunter Karbide und Karbonate“, sagt Yang.
Und wenn zwischen der Kruste und dem oberen Mantel Eisenkarbid mit Eisenoxid reagiert, wachsen Diamanten.
Ausgestattet mit diesem Wissen entwickelten Wissenschaftlerein chemischer Prozess zur Simulation der lithosphärischen Umgebung unter der Erdoberfläche. Zu diesem Zweck stellten sie Eisenkarbid-Nanopartikel einheitlicher Größe als Kohlenstoffquelle für Diamanten her. Die Partikel wurden dann in eine Umgebung mit hohem Druck und hoher Temperatur gebracht, ähnlich den Bedingungen an den Orten, an denen natürliche Diamanten entstehen. Die Verbindungen reagierten, was zu sehr homogenen Nanodiamanten führte.
Mit der neuen Methode können Sie Kristalle mit einer Breite erstellennur 2 nm mit Unterschieden zwischen ihnen von weniger als einem Nanometer. Zuvor wurden solche Ergebnisse nicht erhalten. Die Wissenschaftler behaupten, dass dies um eine Größenordnung besser ist, als irgendjemand ohne zusätzliche postsynthetische Verarbeitungs- oder Reinigungsschritte tun könnte.
Schaffung homogener, perfekter Nanodiamanten -Das sei an sich schon eine gute Sache, sagen die Forscher, aber diese Materialien könnten sogar noch nützlicher sein, wenn sie Mängel aufweisen, etwa Leerstellen in der Struktur des Diamanten. Diese Hohlräume können durch Atome aus Kohlenstoff, Stickstoff, Silizium, Nickel oder einem anderen Element ersetzt werden. Die eingebetteten Nicht-Kohlenstoffatome färben das Material leicht ein und werden „Farbzentren“ genannt.
Traditionell für Diamantbeschuss undUm diese Elemente in die Kristallstruktur einzubetten, wird ein hochenergetischer Strahl aus Atomen wie Stickstoff oder Silizium verwendet. Dieses Verfahren kann jedoch nicht kontrollieren, wie viele Farbzentren einem einzelnen Diamanten hinzugefügt werden, was Nachbearbeitungsschritte erfordert, um Kristalle mit einem Ein-Atom-Defekt herzustellen. Die Wissenschaftler glauben, dass sie mit der neuen Methode einen Weg finden könnten, nur einen der Tausenden von Kohlenstoffen zu ersetzen, die in einem Nanodiamanten vorhanden sind. Nanopartikel mit nur einem Farbzentrum sind sehr wünschenswert, da sie Informationen in Quantencomputern und Telekommunikationsgeräten sicher speichern können.
„Jetzt haben wir die perfekte Plattform fürEntwicklung eines Verfahrens zur Herstellung eines einfarbigen zentralen Nanodiamanten, der einen Durchbruch für eine Reihe von Technologien im Zusammenhang mit Diamanten darstellt. Aber auch im weiteren Sinne wäre es eine faszinierende Demonstration, wie man ein Atom in einer viel größeren Struktur kontrollieren kann“, sagt Yang.
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