Ученые разгадали химический механизм создания наноалмазов, покрытых диоксидом кремния

 Покрытие чего-то редкого — крошечных осколков алмаза — основным ингредиентом песка может показаться необычным, но конечный результат имеет ряд ценных применений. Хитрость в том, что никто точно не знает, как соединяются эти два материала.

Рентгеновское оборудование и датчик переходного края SSRL позволяют получить информацию о наноалмазе, скрытом под кремнеземным покрытием. Облученные электроны покидают поверхность наноалмаза, проходят через кремнезем и собираются в виде сигналов. Чем толще покрытие, тем меньше электронов достигает поверхности. Понимание химии кремнеземных покрытий поможет исследователям оптимизировать кремнеземные оболочки и опробовать другие материалы в качестве покрытий, расширяя возможности применения наноалмазов в квантовых вычислениях и биомаркировке. (Фото: phys.org)

Теперь исследователи из Государственного университета Сан-Хосе (SJSU) сообщают в журнале ACS Nanoscience Au, что химические группы спирта на поверхности алмаза ответственны за полезную однородную оболочку из кремнезема, и этот результат может помочь им создавать более качественные наноалмазы с кремнеземным покрытием — крошечные инструменты. с приложениями от биомаркировки раковых клеток до квантового зондирования.

Команда разгадала механизм связи благодаря мощным рентгеновским лучам, генерируемым Стэнфордским источником синхротронного излучения (SSRL) в Национальной ускорительной лаборатории SLAC Министерства энергетики.

«Теперь, когда мы знаем эти более мелкие детали — как работает связь, а не просто догадываемся, — мы можем лучше исследовать новые гибридные системы алмазов», — сказал Абрахам Уолкотт, главный исследователь исследования и профессор SJSU.

Большая часть работ Уолкотта касается наноалмазов, синтетических алмазов, разбитых на настолько мелкие кусочки, что вам понадобится 40 000 штук, чтобы охватить ширину одного человеческого волоса. Теоретически наноалмазы имеют идеальную углеродную решетку, но иногда атом азота проникает внутрь и заменяет атом углерода рядом с отсутствующим атомом углерода. Технически это дефект, но он полезен — дефект реагирует на магнитные поля, электрические поля и свет, и все это при комнатной температуре, а это означает, что наноалмазы имеют множество применений.

Их можно использовать в качестве кубитов — базовой единицы квантового компьютера. Ударьте по ним зеленым светом, и они загорятся красным, так что биологи смогут поместить их в живые клетки и отслеживать их движение. Но ученые не могут легко запрограммировать наноалмазы так, чтобы они двигались туда, куда они хотят, а края алмазов заострены и могут разрывать клеточные мембраны.

Покрытие их кремнеземом решает обе проблемы. Кремнезем образует гладкую однородную оболочку, закрывающую острые края. Он также создает модифицируемую поверхность, которую ученые могут украшать метками, чтобы направлять частицы к определенным клеткам, таким как раковые клетки или нейроны. «Алмаз с кремнеземной оболочкой становится управляемой системой», — сказал Уолкотт.

Но в течение некоторого времени, по словам Уолкотта, ученые расходились во мнениях относительно того, как формируется эта оболочка. Его команда показала, что гидроксид аммония с этанолом (химические вещества, обычно включаемые в процесс нанесения покрытия), образуют множество спиртовых групп на поверхности наноалмазов, и эти спирты способствуют росту оболочки.

«Никто не мог объяснить это более 10 лет», — сказал Уолкотт, — «но мы смогли получить эту информацию».

После изучения частиц с помощью трансмиссионного электронного микроскопа в Молекулярном литейном заводе Национальной лаборатории Лоуренса Беркли Министерства энергетики США, исследователи обстреляли наноалмазы рентгеновскими лучами SSRL, чтобы исследовать поверхности, скрытые под кремнеземным покрытием.

Датчик края перехода SSRL — сверхчувствительный термометр, который регистрирует изменения температуры и преобразует их в энергию рентгеновских лучей — показал, какие химические группы присутствуют на поверхности наноалмазов.

Используя второй метод — рентгеновскую абсорбционную спектроскопию (XAS) — команда генерировала подвижные электроны на поверхности наноалмаза, затем ловила их, когда они проходили через оболочку из кремнезема, и убегала. Чем толще покрытие, тем меньше электронов добралось до поверхности. Сигналы действовали как крошечная измерительная лента, показывающая толщину кремнеземного покрытия в нанометровом масштабе.

«XAS — это мощный инструмент, потому что вы можете обнаружить что-то погруженное, скрытое — например, алмаз под оболочкой из кремнезема», — сказал Уолкотт. «Люди никогда раньше не делали этого с наноалмазами, поэтому помимо выяснения механизма связи мы также показали, что XAS полезен для ученых-материаловедов и химиков».

В будущем Уолкотт, который известен тем, что предоставляет возможности для практических исследований, хочет заставить студентов работать над покрытием наноалмазов другими материалами. Например, оксиды титана, цинка и других металлов могут открыть новые возможности в области применения квантового зондирования и биологической маркировки.

«Наноалмазы — это невероятные микроинструменты с немедленным применением», — сказала Карен Лопес, доктор философии в области биомедицинской инженерии. студент Калифорнийского университета в Ирвайне, который, как и другие авторы SJSU, работал над исследованием еще будучи студентом. «Теперь, когда мы понимаем, как формируется оболочка из кремнезема, мы можем начать ее оптимизировать и расширять возможности использования других типов материалов».

Источник