Züchtung extrem kleiner, einheitlich großer Diamanten – ohne Sprengstoff

Diamanten sind nicht nur glitzernde, funkelnde Edelsteine ​​für Schmuck. Die kleinsten, nur wenige Nanometer breit, sind auch entscheidend für die Arzneimittelabgabe, Sensoren und Quantencomputerprozessoren. Die Herstellung von Diamant-Nanopartikeln einheitlicher Größe ist wichtig für den Erfolg dieser Technologien. Jetzt berichten Wissenschaftler über eine Methode, um ultra-einheitliche Nanodiamanten ohne die Notwendigkeit von Sprengstoffen zu züchten. Die Technik könnte auch verwendet werden, um vorteilhafte Einzelatomdefekte in ansonsten perfekten Kristallen hinzuzufügen.

Die Forscher stellen ihre Ergebnisse heute auf der Frühjahrstagung der American Chemical Society (ACS) vor.

„Es ist faszinierend, dass, obwohl ein Diamant chemisch ziemlich einfach ist – es ist ein Element, Kohlenstoff – es extrem schwierig ist, dieses Material im Nanometerbereich herzustellen“, sagt Hao Yan, Ph.D., der Hauptforscher des Projekts.

Kohlenstoff wird zu einem Diamanten, wenn Atome dieses Elements unter Hochdruck- und Hochtemperaturbedingungen zu einem starren kubischen 3D-Muster angeordnet werden. Forscher haben zuvor Nanodiamanten im Labor hergestellt, indem sie einen Sprengstoff wie Trinitrotoluol (bekannt als TNT) in einem versiegelten Edelstahlbehälter zur Detonation gebracht haben. Die Explosion wandelt den Kohlenstoff im explosiven Material in winzige Diamantpartikel um. Diese grobe Methode sei jedoch schwer zu kontrollieren, erklärt Yan. Die sich bildenden Kristalle haben eine ungleichmäßige Größe und erfordern zusätzliche Schritte, um sie für verschiedene Technologien zu sortieren.

Um einen präziseren Weg zur Herstellung von Nanodiamanten zu entwickeln, untersuchte Yans Gruppe an der University of North Texas die Chemie, die die Natur verwendet. „Wir haben festgestellt, dass Orte, an denen Diamanten im Erdmantel entstehen, viel Eisen und Eisen-Kohlenstoff-Verbindungen enthalten, darunter Karbide und Karbonate“, sagt Yan. Und wenn zwischen der Kruste und dem oberen Mantel Eisenkarbid mit Eisenoxid reagiert, wachsen Diamanten.

Bewaffnet mit diesem Wissen entwarf Tengteng Lyu, ein Doktorand in Yans Labor, der seine Arbeit bei dem Treffen vorstellt, einen chemischen Prozess, um die lithosphärische Umgebung unter der Erdoberfläche nachzuahmen. Zuerst schuf Lyu gleich große Nanopartikel aus Eisencarbid als Kohlenstoffquelle für die Diamanten. Die winzigen Partikel waren über eine Eisenoxidmatrix verteilt, als ob das Eisencarbid Schokoladenstückchen in Keksteig wäre.

Dann platzierte Lyu den Kohlenstoffvorläufer-„Teig“ in einer Hochdruck- und Hochtemperaturumgebung, ähnlich den Bedingungen an Orten, an denen sich natürliche Diamanten bilden. Die Verbindungen reagierten und es resultierten sehr einheitliche Nanodiamanten. Die neue Methode macht Kristalle mit einer Breite von nur 2 nm und Unterschieden zwischen ihnen von weniger als einem Nanometer. Yan sagt, dass dies um eine Größenordnung besser ist, als irgendjemand ohne zusätzliche Nachbehandlungs- oder Reinigungsschritte erreichen könnte.

Gleichförmige, perfekte Nanodiamanten herzustellen, ist großartig, sagt Yan, aber diese Materialien können noch nützlicher sein, wenn sie Defekte aufweisen, wie zum Beispiel leere Stellen in der Diamantstruktur und das Ersetzen benachbarter Kohlenstoffatome durch Stickstoff, Silizium, Nickel oder ein anderes Element. Da die Nicht-Kohlenstoffatome das Material leicht färben, werden sie „Farbzentren“ genannt. Nanopartikel mit nur einem Farbzentrum sind sehr wünschenswert, da sie Informationen in Quantencomputern und Telekommunikationsgeräten sicher speichern können.

Traditionell wird ein hochenergetischer Strahl aus Atomen wie Stickstoff oder Silizium verwendet, um den Diamanten zu bombardieren und diese Elemente in die Kristallstruktur einzubetten. Dieses Verfahren kann jedoch nicht steuern, wie viele Farbzentren einem Diamanten hinzugefügt werden, was Nachbearbeitungsschritte erfordert, um Kristalle mit einem Einzelatomdefekt zu erhalten. Wenn die Durchmesser von Diamanten auf 2–3 nm schrumpfen – der Größenbereich, den Yans Team jetzt konsistent herstellen kann – wird dieser Atomstrahl-Ansatz laut Lyus umfangreicher Computermodellierungsarbeit außerdem energetisch ungünstig. Aber mit ihrer neuen Methode, so Yan, könnten sie einen Weg finden, einen Kohlenstoff von Tausenden zu ersetzen, die in ihrem Kohlenstoff-Vorläufer-„Teig“ vorhanden sind. Er schätzt, dass sie jetzt mit einem Syntheseexperiment genug Nanodiamanten mit einfarbigem Zentrum für ein paar tausend Quantencomputer herstellen könnten, obwohl die winzigen Kristalle richtig angeordnet werden müssten, bevor Berechnungen durchgeführt werden könnten.

„Wir haben jetzt eine ideale Plattform, um einen Weg zur Herstellung eines Nanodiamanten mit einfarbiger Mitte zu entwickeln, was einen Durchbruch für eine Reihe von Technologien im Zusammenhang mit Diamanten darstellt. Aber im weiteren Sinne wäre es auch eine faszinierende Demonstration dessen, wie Sie kann ein einzelnes Atom in einer viel größeren Struktur kontrollieren“, sagt Yan.