Etwas Seltenes – winzige Diamantsplitter – mit dem Hauptbestandteil Sand zu beschichten, mag ungewöhnlich klingen, aber das Endergebnis hat eine Reihe wertvoller Anwendungen. Der Trick ist, dass niemand genau weiß, wie sich die beiden Materialien verbinden.
Jetzt berichten Forscher der San Jose State University (SJSU) in der Zeitschrift ACS Nanoscience Au dass alkoholische chemische Gruppen auf der Oberfläche eines Diamanten für praktisch gleichmäßige Silikathüllen verantwortlich sind, ein Ergebnis, das ihnen dabei helfen könnte, bessere, mit Silikat beschichtete Nanodiamanten herzustellen – winzige Werkzeuge mit Anwendungen von der Biomarkierung von Krebszellen bis hin zur Quantensensorik.
Das Team entschlüsselte den Bindungsmechanismus dank leistungsstarker Röntgenstrahlen, die von der Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL) am SLAC National Accelerator Laboratory des DOE erzeugt wurden.
„Da wir jetzt diese feineren Details kennen – wie die Bindung funktioniert, anstatt nur zu raten – können wir neue Diamant-Hybridsysteme besser erforschen“, sagte Abraham Wolcott, der Hauptforscher der Studie und SJSU-Professor.
Ein Großteil von Wolcotts Arbeiten befasst sich mit Nanodiamanten, synthetischen Diamanten, die in so kleine Stücke zersplittert sind, dass man 40.000 Stück davon bräuchte, um die Breite eines einzelnen menschlichen Haares zu überbrücken. Theoretisch haben Nanodiamanten perfekte Kohlenstoffgitter, aber gelegentlich schleicht sich ein Stickstoffatom ein und ersetzt ein Kohlenstoffatom neben einem fehlenden Kohlenstoffatom. Technisch gesehen ist es ein Defekt, aber er ist nützlich – der Defekt reagiert auf magnetische Felder, elektrische Felder und Licht, und das alles bei Raumtemperatur, was bedeutet, dass Nanodiamanten viele Anwendungen haben.
Sie können als Qubits verwendet werden, die Grundeinheit für einen Quantencomputer. Wenn man sie mit grünem Licht bestrahlt, leuchten sie rot, sodass Biologen sie in lebende Zellen stecken und ihre Bewegung verfolgen können. Aber Wissenschaftler können Nanodiamanten nicht einfach so programmieren, dass sie dorthin gelangen, wo sie wollen, und Diamantkanten sind spitz und können Zellmembranen zerstören.
Die Beschichtung mit Silica löst beide Probleme. Silizium bildet eine glatte, gleichmäßige Hülle, die die scharfen Kanten bedeckt. Außerdem entsteht eine modifizierbare Oberfläche, die Wissenschaftler mit Markierungen versehen können, um die Partikel auf bestimmte Zellen wie Krebszellen oder Neuronen zu lenken. „Der Diamant mit der Quarzschale wird zu einem kontrollierbaren System“, sagte Wolcott.
Aber seit einiger Zeit, sagte Wolcott, seien sich Wissenschaftler nicht einig darüber, wie diese Schale entsteht. Sein Team zeigte, dass Ammoniumhydroxid mit Ethanol, Chemikalien, die normalerweise im Beschichtungsprozess enthalten sind, viele Alkoholgruppen auf der Nanodiamantoberfläche erzeugt und diese Alkohole das Wachstum der Hülle erleichtern.
„Über zehn Jahre lang konnte es niemand erklären“, sagte Wolcott, „aber wir konnten diese Informationen herauskitzeln.“
Nachdem die Forscher die Partikel mit Transmissionselektronenmikroskopen in der Lawrence Berkeley National Laboratory Molecular Foundry des DOE untersucht hatten, schossen sie SSRL-Röntgenstrahlen auf Nanodiamanten, um die unter der Silica-Beschichtung verborgenen Oberflächen zu erkunden.
Der Übergangskantensensor von SSRL – ein hochempfindliches Thermometer, das Temperaturänderungen erfasst und in Röntgenenergie umwandelt – enthüllte, welche chemischen Gruppen auf den Oberflächen der Nanodiamanten vorhanden waren.
Mit einer zweiten Technik – der Röntgenabsorptionsspektroskopie (XAS) – erzeugte das Team mobile Elektronen auf der Nanodiamantoberfläche und fing sie dann auf, als sie durch die Silikathülle wanderten und entkamen. Je dicker die Schicht, desto weniger Elektronen gelangten an die Oberfläche. Die Signale wirkten wie ein winziges Maßband und zeigten die Dicke der Silica-Beschichtung im Nanometerbereich an.
„XAS ist leistungsstark, weil man etwas erkennen kann, das untergetaucht ist, das verborgen ist – wie Diamant unter einer Quarzschale“, sagte Wolcott. „Das haben die Leute noch nie mit Nanodiamanten gemacht, also haben wir nicht nur den Bindungsmechanismus herausgefunden, sondern auch gezeigt, dass XAS für Materialwissenschaftler und Chemiker nützlich ist.“
In Zukunft möchte Wolcott, der dafür bekannt ist, praktische Forschungsmöglichkeiten anzubieten, Studenten damit beauftragen, Nanodiamanten mit anderen Materialien zu beschichten. Titan, Zink und andere Metalloxide könnten beispielsweise neue Wege in der Quantensensorik und biologischen Markierungsanwendungen eröffnen.
„Nanodiamanten sind unglaubliche Mikrowerkzeuge mit unmittelbaren Anwendungsmöglichkeiten“, sagte Karen Lopez, promovierte Biomedizintechnik. Student an der University of California, Irvine, der wie die anderen SJSU-Autoren als Student an der Studie arbeitete. „Da wir nun verstehen, wie sich die Silica-Hülle bildet, können wir damit beginnen, sie zu optimieren und auf andere Arten von Materialien auszuweiten.“
Mehr Informationen:
Perla J. Sandoval et al., Quantum Diamonds at the Beach: Chemische Einblicke in das Silica-Wachstum auf nanoskaligen Diamanten mithilfe multimodaler Charakterisierung und Simulation, ACS Nanoscience Au (2023). DOI: 10.1021/acsnanoscienceau.3c00033