Enduire quelque chose de rare – de minuscules éclats de diamant – avec l’ingrédient principal du sable peut sembler inhabituel, mais le résultat final s’avère avoir un certain nombre d’applications précieuses. Le problème est que personne ne sait avec certitude comment les deux matériaux se lient.
Aujourd’hui, des chercheurs de l’Université d’État de San Jose (SJSU) rapportent dans la revue ACS Nanoscience Au que les groupes chimiques d’alcool à la surface d’un diamant sont responsables de coquilles de silice utilement uniformes, un résultat qui pourrait les aider à créer de meilleurs nanodiamants recouverts de silice – de minuscules outils avec des applications allant du biomarquage des cellules cancéreuses à la détection quantique.
L’équipe a découvert le mécanisme de liaison grâce aux puissants rayons X générés par la source lumineuse de rayonnement synchrotron de Stanford (SSRL) du laboratoire national des accélérateurs SLAC du DOE.
« Maintenant que nous connaissons ces détails plus fins (comment fonctionne la liaison au lieu de simplement deviner), nous pouvons mieux explorer de nouveaux systèmes hybrides de diamants », a déclaré Abraham Wolcott, chercheur principal de l’étude et professeur à la SJSU.
Une grande partie du travail de Wolcott concerne les nanodiamants, des diamants synthétiques brisés en morceaux si petits qu’il en faudrait 40 000 pour couvrir la largeur d’un seul cheveu humain. Théoriquement, les nanodiamants ont des réseaux de carbone parfaits, mais il arrive parfois qu’un atome d’azote s’y infiltre et remplace un atome de carbone à côté d’un atome de carbone manquant. Techniquement, c’est un défaut, mais c’est utile : le défaut réagit aux champs magnétiques, aux champs électriques et à la lumière, le tout à température ambiante, ce qui signifie que les nanodiamants ont de nombreuses applications.
Ils peuvent être utilisés comme qubits, l’unité de base d’un ordinateur quantique. Frappez-les avec une lumière verte et ils brillent en rouge, afin que les biologistes puissent les placer dans des cellules vivantes et les suivre à mesure qu’ils se déplacent. Mais les scientifiques ne peuvent pas facilement programmer les nanodiamants pour qu’ils aillent où ils veulent, et les bords des diamants sont pointus et peuvent briser les membranes cellulaires.
Les enduire de silice résout les deux problèmes. La silice forme une coque lisse et uniforme qui recouvre les arêtes vives. Cela crée également une surface modifiable, que les scientifiques peuvent décorer avec des étiquettes pour diriger les particules vers des cellules spécifiques, comme les cellules cancéreuses ou les neurones. « Le diamant avec une coque en silice devient un système contrôlable », a déclaré Wolcott.
Mais depuis un certain temps, a déclaré Wolcott, les scientifiques ne sont pas d’accord sur la façon dont cette coquille se forme. Son équipe a montré que l’hydroxyde d’ammonium et l’éthanol, des produits chimiques normalement inclus dans le processus de revêtement, produisent de nombreux groupes alcool sur la surface du nanodiamant, et que ces alcools facilitent la croissance de la coque.
« Personne n’a été capable de l’expliquer pendant plus de 10 ans », a déclaré Wolcott, « mais nous avons pu extraire cette information. »
Après avoir étudié les particules avec des microscopes électroniques à transmission à la fonderie moléculaire du laboratoire national Lawrence Berkeley du DOE, les chercheurs ont projeté des rayons X SSRL sur des nanodiamants pour explorer les surfaces cachées sous le revêtement de silice.
Le capteur de transition de SSRL, un thermomètre ultra-sensible qui collecte les changements de température et les convertit en énergies de rayons X, a révélé quels groupes chimiques étaient présents à la surface des nanodiamants.
En utilisant une deuxième technique, la spectroscopie d’absorption des rayons X (XAS), l’équipe a généré des électrons mobiles sur la surface du nanodiamant, puis les a capturés alors qu’ils traversaient la coque de silice et s’échappaient. Plus le revêtement est épais, moins il y a d’électrons parvenant à la surface. Les signaux agissaient comme un minuscule ruban à mesurer, indiquant l’épaisseur de la couche de silice à l’échelle nanométrique.
« XAS est puissant car vous pouvez détecter quelque chose qui est submergé, caché, comme un diamant sous une coquille de silice », a déclaré Wolcott. « Les gens n’ont jamais fait cela avec des nanodiamants auparavant, donc en plus de comprendre le mécanisme de liaison, nous avons également montré que le XAS est utile aux scientifiques des matériaux et aux chimistes. »
À l’avenir, Wolcott, connu pour offrir des opportunités de recherche pratique, souhaite demander aux étudiants de travailler à recouvrir des nanodiamants avec d’autres matériaux. Le titane, le zinc et d’autres oxydes métalliques, par exemple, pourraient ouvrir de nouvelles voies dans les applications de détection quantique et de marquage biologique.
« Les nanodiamants sont des micro-outils incroyables avec des applications immédiates », a déclaré Karen Lopez, titulaire d’un doctorat en génie biomédical. étudiant à l’Université de Californie à Irvine qui, comme les autres auteurs du SJSU, a travaillé sur l’étude en tant qu’étudiant de premier cycle. « Maintenant que nous comprenons comment se forme la coque de silice, nous pouvons commencer à l’optimiser et à l’étendre à d’autres types de matériaux. »
Plus d’information:
Perla J. Sandoval et al, Quantum Diamonds at the Beach : Chemical Insights into Silica Growth on Nanoscale Diamond using Multimodal Characterization and Simulation, ACS Nanoscience Au (2023). DOI : 10.1021/acsnanoscienceau.3c00033