Ученые раскрыли химический механизм создания наноалмазов, покрытых диоксидом кремния

Покрытие редкого предмета — крошечных осколков алмаза — песком, основным ингредиентом которого является песок, может показаться необычным, но конечный результат имеет ряд ценных применений. Хитрость в том, что никто точно не знает, как связаны эти два вещества.

Теперь исследователи из Государственного университета Сан-Хосе (SJSU) сообщают в журнале ACS Au Нанонаука Спиртовые химические группы на поверхности алмаза ответственны за благоприятную однородную оболочку из кремнезема, что может помочь им создавать более качественные наноалмазы, покрытые диоксидом кремния, крошечные инструменты, которые можно применять от биомаркировки раковых клеток до квантового зондирования.

Команда раскрыла 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», — говорит Абрахам Вулкотт, ведущий исследователь исследования и профессор SJSU.

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

Их можно использовать как кубиты — базовую единицу квантового компьютера. Ударьте по нему зеленым светом, и он засветится красным, и биологи смогут поместить его в живые клетки и отслеживать его движение. Но ученые не могут легко запрограммировать наноалмазы так, чтобы они двигались туда, куда они хотят, поскольку края алмазов заостренные и могут разрывать клеточные мембраны.

Покрытие его кремнеземом решает обе проблемы. Кремнезем образует гладкую однородную корку, покрывающую острые края. Он также создает модифицируемую поверхность, которую ученые могут украшать метками, чтобы направлять молекулы к определенным клеткам, таким как раковые клетки или нейроны. «Алмаз из кремнеземной оболочки становится управляемой системой», — сказал Вулкотт.

Но ученые некоторое время расходились во мнениях относительно того, как образовалась эта оболочка, сказал Уолкотт. Его команда показала, что гидроксид аммония в сочетании с этанолом (химическими веществами, которые обычно включаются в процесс нанесения покрытия), производят множество спиртовых групп на поверхности наноалмаза, и эти спирты способствуют росту оболочки.

«Никто не мог объяснить это более 10 лет, но нам удалось получить эту информацию», — сказал Вулкотт.

Изучив частицы с помощью трансмиссионного электронного микроскопа в Молекулярном литейном заводе Национальной лаборатории им. Лоуренса Беркли при Министерстве энергетики, исследователи направили рентгеновские лучи SSRL на наноалмазы, чтобы исследовать поверхности, скрытые под слоем кремнезема.

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

Используя второй метод — рентгеновскую абсорбционную спектроскопию (XAS) — команда генерировала движущиеся электроны на поверхности наноалмаза, затем захватывала их, когда они проходили через оболочку из кремнезема и убегали. Чем толще покрытие, тем меньше электронов достигает поверхности. Сигналы представляли собой небольшую рулетку, показывающую толщину слоя кремнезема в нанометровом масштабе.

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

В будущем Вулкотт, известный своими практическими исследовательскими возможностями, хочет, чтобы студенты работали над покрытием наноалмазов другими материалами. Например, оксиды титана, цинка и других металлов могут открыть новые горизонты в области количественного анализа и биомаркировки.

«Наноалмазы — это удивительные микроинструменты с немедленным применением», — сказала Карен Лопес, доктор философии, профессор биомедицинской инженерии. студент Калифорнийского университета в Ирвайне, который, как и другие авторы SJSU, работал над исследованием еще будучи студентом. «Теперь, когда мы понимаем, как образуется кремнеземная корка, мы можем начать улучшать ее и использовать другие типы материалов».