Nanodiamanten nach molekularem Bauplan

Ein internationales Forschungsteam unter der Leitung von Dr. Yingke Wu und Prof. Tanja Weil am Max-Planck-Institut für Polymerforschung hat nun eine neue Synthesestrategie entwickelt: Statt größere Diamanten zu zerkleinern, baut das Team Nanodiamanten von unten nach oben aus molekular genau definierten Nanographen-Bausteinen auf. Unter hohem Druck und bei hohen Temperaturen werden diese flachen Kohlenstoffmoleküle direkt in diamantähnliche, hochkristalline Nanostrukturen umgewandelt.

Der entscheidende Vorteil dieses Bottom-up-Ansatzes liegt in der Kontrolle auf molekularer Ebene. Da Struktur, Größe und Zusammensetzung der Ausgangsmoleküle präzise festgelegt sind, lassen sich auch die Eigenschaften der entstehenden Nanodiamanten deutlich besser steuern als bei herkömmlichen Zerkleinerungsverfahren. Das Team konnte so besonders kleine, einheitliche Nanodiamanten mit einer Größe von etwa drei bis vier Nanometern herstellen.

Besonders wichtig ist zudem, dass sich optisch aktive Farbzentren bereits während der Synthese in das Diamantgitter integrieren lassen. Durch geeignete molekulare Vorläufer entstehen silizium- und germaniumbasierte Emitter, ohne dass nachträgliche Ionenimplantation, Bestrahlung oder weitere Behandlungsschritte erforderlich sind. Auf diese Weise können fluoreszierende Nanodiamanten mit maßgeschneiderten optischen Eigenschaften in einem direkten Syntheseschritt hergestellt werden.

„Wir glauben, dass diese Plattform eine skalierbare Grundlage für die Entwicklung von Quantensensoren, integrierten photonischen Emittern und programmierbaren diamantbasierten Nanomaterialien bietet“, sagt Tanja Weil.

Die neuen molekularen Nanodiamanten eröffnen Perspektiven für Anwendungen in der Quantentechnologie, etwa als stabile Einzelphotonenquellen oder nanoskalige Sensoren. Auch für die biologische und medizinische Forschung sind sie interessant: Langfristig könnten sie als robuste optische Reporter dienen, um Prozesse in Zellen oder anderen biologischen Umgebungen auf kleinster Skala sichtbar zu machen.

Die Ergebnisse des internationalen Teams wurden in der Fachzeitschrift Nature veröffentlicht.

Beteiligte Institutionen

An der Studie beteiligt waren das Deutsche Elektronen-Synchrotron (DESY), die Goethe-Universität Frankfurt, die Johannes Gutenberg-Universität Mainz, das Leibniz-Institut für Neue Materialien, das Max-Planck-Institut für Kolloid- und Grenzflächenforschung, das Max-Planck-Institut für Polymerforschung, die University of Cambridge, die Universität des Saarlandes, die Universität Göttingen und die Universität Ulm.