Züchtung extrem kleiner, gleichmäßig großer Diamanten - ohne Sprengstoff
Präziser Weg zur Herstellung von Nanodiamanten
Diamanten sind nicht nur glitzernde, funkelnde Edelsteine für Schmuckstücke. Die kleinsten, nur wenige Nanometer großen Diamanten sind auch für die Verabreichung von Medikamenten, für Sensoren und Quantencomputer entscheidend. Die Herstellung von Diamant-Nanopartikeln mit gleichbleibender Größe ist wichtig für den Erfolg dieser Technologien. Jetzt berichten Wissenschaftler über eine Methode, mit der sich ultra-gleichförmige Nanodiamanten ohne Sprengstoff herstellen lassen. Die Technik könnte auch dazu verwendet werden, um vorteilhafte Einzelatomdefekte in ansonsten perfekte Kristalle einzubringen.
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Die Forscher werden ihre Ergebnisse auf der Frühjahrstagung der American Chemical Society (ACS) vorstellen. Die ACS Spring 2022 ist eine Hybridtagung, die vom 20. bis 24. März virtuell und persönlich stattfindet und vom 21. März bis 8. April auf Abruf zur Verfügung steht. Auf der Tagung werden mehr als 12 000 Vorträge zu einem breiten Spektrum an wissenschaftlichen Themen gehalten.
"Es ist faszinierend, dass, obwohl ein Diamant chemisch recht einfach ist - er besteht aus einem einzigen Element, nämlich Kohlenstoff - die Herstellung dieses Materials im Nanometermaßstab extrem schwierig ist", sagt Hao Yan, Ph.D., der Leiter des Projekts.
Kohlenstoff wird zu Diamant, wenn die Atome dieses Elements unter Hochdruck- und Hochtemperaturbedingungen in einem starren kubischen 3D-Muster angeordnet werden. Forscher haben bereits früher Nanodiamanten im Labor hergestellt, indem sie einen Sprengstoff, wie z. B. Trinitrotoluol (bekannt als TNT), in einem versiegelten Edelstahlbehälter zur Explosion brachten. Durch die Explosion wird der Kohlenstoff des Sprengstoffs in winzige Diamantpartikel umgewandelt. Diese grobe Methode ist jedoch schwer zu kontrollieren, erklärt Yan. Die entstehenden Kristalle sind ungleichmäßig groß, so dass zusätzliche Schritte erforderlich sind, um sie für verschiedene Technologien zu sortieren.
Um eine präzisere Methode zur Herstellung von Nanodiamanten zu entwickeln, untersuchte Yans Gruppe an der University of North Texas die Chemie, die die Natur verwendet. "Wir stellten fest, dass die Orte, an denen Diamanten im Erdmantel gebildet werden, viel Eisen und Eisen-Kohlenstoff-Verbindungen enthalten, darunter Karbide und Karbonate", sagt Yan. Und wenn Eisenkarbid mit Eisenoxid zwischen der Kruste und dem oberen Erdmantel reagiert, entstehen Diamanten.
Mit diesem Wissen ausgestattet, entwickelte Tengteng Lyu, ein Doktorand in Yans Labor, der seine Arbeit auf der Tagung vorstellt, einen chemischen Prozess, um die lithosphärische Umgebung unter der Erdoberfläche zu imitieren. Zunächst stellte Lyu gleichmäßig große Nanopartikel aus Eisenkarbid als Kohlenstoffquelle für die Diamanten her. Die winzigen Partikel wurden in einer Eisenoxidmatrix verteilt, als wären die Eisenkarbide Schokoladensplitter im Keksteig.
Dann brachte Lyu den "Teig" mit den Kohlenstoffvorläufern in eine Umgebung mit hohem Druck und hoher Temperatur, ähnlich den Bedingungen, unter denen sich natürliche Diamanten bilden. Die Verbindungen reagierten, und es entstanden sehr gleichmäßige Nanodiamanten. Mit der neuen Methode werden Kristalle mit einer Größe von bis zu 2 nm hergestellt, wobei die Unterschiede zwischen den einzelnen Kristallen weniger als einen Nanometer betragen. Laut Yan ist dies um eine Größenordnung besser als alles, was ohne zusätzliche Nachbehandlung oder Reinigungsschritte möglich ist.
Die Herstellung einheitlicher, perfekter Nanodiamanten ist großartig, sagt Yan, aber diese Materialien können noch nützlicher sein, wenn sie Defekte aufweisen, z. B. leere Stellen in der Struktur des Diamanten und den Ersatz benachbarter Kohlenstoffatome durch Stickstoff, Silizium, Nickel oder ein anderes Element. Da die Nicht-Kohlenstoffatome das Material leicht einfärben, werden sie als "Farbzentren" bezeichnet. Nanopartikel mit nur einem Farbzentrum sind sehr begehrt, da sie Informationen in Quantencomputern und Telekommunikationsgeräten sicher speichern können.
Traditionell wird ein hochenergetischer Atomstrahl, z. B. aus Stickstoff oder Silizium, verwendet, um den Diamant zu beschießen und diese Elemente in die Kristallstruktur einzubetten. Bei dieser Methode kann jedoch nicht kontrolliert werden, wie viele Farbzentren einem Diamanten hinzugefügt werden, so dass Nachbearbeitungsschritte erforderlich sind, um Kristalle mit einem einatomigen Defekt zu erhalten. Nach Lyus umfangreichen Berechnungen wird dieser Ansatz energetisch ungünstig, wenn die Durchmesser der Diamanten auf 2 bis 3 nm schrumpfen - der Größenbereich, den Yans Team jetzt konsistent herstellen kann. Yan glaubt jedoch, dass sie mit ihrer neuen Methode einen Weg finden könnten, einen der Tausenden von Kohlenstoffatomen in ihrem Kohlenstoffvorläufer-"Teig" zu ersetzen. Er schätzt, dass sie nun mit einem einzigen Syntheseversuch genügend einfarbige Nanodiamanten 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 einfarbigen Nanodiamanten zu finden, was einen Durchbruch für eine Reihe von Technologien im Zusammenhang mit Diamanten darstellt. Aber auch im weiteren Sinne wäre es eine faszinierende Demonstration, wie man ein einzelnes Atom in einer viel größeren Struktur kontrollieren kann", sagt Yan.
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