Ученые из Университета Северного Техаса научились создавать кристаллы шириной всего 2 нм без применения тротила. Исследователи представят свои результаты на весеннем собрании Американского химического общества — ACS Spring 2022.
Самые маленькие бриллианты — шириной всего в несколько нанометров — широко используются в датчиках и процессорах квантовых компьютеров. В связи с этим получение алмазных наночастиц постоянного размера имеет важное значение для развития технологий.
Ученые сообщают о методе выращивания ультраоднородных наноалмазов без использования взрывчатых веществ. Второе преимущество нового метода — добавление полезных одноатомных дефектов в идеальные в остальном алмазы.
«Удивительно, что хотя алмаз химически довольно прост — это один элемент, углерод, — изготовить этот материал в нанометровом масштабе чрезвычайно сложно», — говорит Хао Ян, главный исследователь проекта.
Углерод становится алмазом, когда атомы этого элемента выстраиваются в жесткий трехмерный кубический узор в условиях высокого давления и высокой температуры. Исследователи ранее создавали наноалмазы в лаборатории путем детонации взрывчатого вещества, такого как тринитротолуол, в герметичном контейнере из нержавеющей стали. Взрыв превращает углерод во взрывчатом материале в крошечные алмазные частицы. Однако этот метод трудно контролировать, объясняют исследователи. В дополнение образующиеся кристаллы не равномерны по размеру, что требует дополнительных шагов для их сортировки.
Чтобы разработать более точный способ получения наноалмазов, ученые исследовали «химию», которую использует природа.
«Мы поняли, что места, где в мантии Земли образуются алмазы, содержат много железа и соединений железа с углеродом, включая карбиды и карбонаты», — говорит Ян.
И когда карбид железа вступает в реакцию с оксидом железа между корой и верхней мантией, растут алмазы.
Вооружившись этими знаниями, ученые разработали химический процесс для имитации литосферной среды, находящейся под поверхностью Земли. Для этого они создали наночастицы карбида железа одинакового размера в качестве источника углерода для алмазов. После этого частицы поместили в среду с высоким давлением и высокой температурой, аналогичную условиям в местах, где образуются природные алмазы. Соединения вступили в реакцию, и в результате получились очень однородные наноалмазы.
Новый метод позволяет создавать кристаллы шириной всего 2 нм с различиями между ними менее нанометра. Ранее таких результатов не получали. Ученые утверждают, что это на порядок лучше, чем кто-либо может сделать без дополнительной постсинтетической обработки или этапов очистки.
Создание однородных, совершенных наноалмазов — это само по себе хорошо, считают исследователи, но эти материалы могут быть еще более полезными, когда у них есть дефекты, такие как пустые места в структуре алмаза. Эти пустоты можно заменить атомами углерода, азота, кремнием, никелем или другим элементом. Встраиваемые неуглеродные атомы слегка окрашивают материал, их называют цветовыми центрами.
Традиционно для бомбардировки алмаза и встраивания этих элементов в структуру кристалла используется высокоэнергетический пучок атомов, таких как азот или кремний. Однако этот метод не может контролировать, сколько цветовых центров добавляется к одному алмазу, что требует этапов последующей обработки для получения кристаллов с дефектом в один атом. Ученые считают, что с помощью нового метода они могли бы разработать способ заменить только один углерод из тысяч, присутствующих в наноалмазе. Наночастицы только с одним цветовым центром очень желательны, поскольку они могут надежно хранить информацию в квантовых компьютерах и телекоммуникационных устройствах.
«Теперь у нас есть идеальная платформа для разработки способа изготовления одноцветного центрального наноалмаза, что является прорывом для ряда технологий, связанных с алмазами. Но также в более широком смысле это была бы увлекательная демонстрация того, как вы можете управлять одним атомом в гораздо большей структуре», — говорит Ян.
Читать далее
«Джеймс Уэбб» сделал самую четкую фотографию звезды в истории
Разработки московских радиологов по ИИ вошли в основу федеральных стандартов
Квантовая зарядка позволит рекордно быстро заряжать электромобили