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實現合成納米鑽石!為生物成像、量子計算領域開闢了新道路!


博科園科學家們對鑽石很感興趣——不是用來裝飾珠寶的那種,而是比人類頭髮還細的微小種類。這些所謂的「納米鑽石」幾乎完全由碳構成。但是,通過將其...

- 2019年5月04日17時32分
- 科學文摘 / 博科園

博科園

科學家們對鑽石很感興趣——不是用來裝飾珠寶的那種,而是比人類頭髮還細的微小種類。這些所謂的「納米鑽石」幾乎完全由碳構成。但是,通過將其他元素引入納米金剛石的晶格(一種被稱為「摻雜」的方法),研究人員可以得到在醫學研究、計算等領域有用的特徵。在2019年5月3日發表於《科學進展》(Science Advances)上的一篇論文中,華盛頓大學(University of

Washington)、美國海軍研究實驗室(U.S. Naval Research Laboratory)和太平洋西北國家實驗室(Pacific Northwest National Laboratory)的研究人員宣布:他們可以利用極高的壓力和溫度來摻雜納米金剛石。


研究小組用這種方法將納米金剛石與矽結合,使金剛石發出深紅色的光,這一特性將使它們對細胞和組織成像有用。研究小組發現,該方法還可以將納米金剛石與氬摻雜在一起。氬是一種稀有氣體,是一種與氣球中的氦有關的非反應性元素。摻雜這種元素的納米金剛石可以應用於量子信息科學——一個迅速擴展的領域,包括量子通信和量子計算。華盛頓大學材料科學與工程副教授、太平洋西北國家實驗室研究員Peter

Pauzauskie說:該方法通過仔細選擇合成過程中使用的分子起始材料,有意地在金剛石納米晶體中摻雜其他元素。

鑽石砧細胞的側視圖,用於在靠近細胞中心的兩個人造鑽石之間產生超過15吉帕壓力。圖片:Mark Stone/University of Washington

摻雜納米金剛石的方法還有離子注入等,但這一過程往往破壞晶體結構,引入的元素被隨意放置,限制了性能和應用。在這裡,研究人員決定在納米金剛石合成後不進行摻雜。相反在分子成分中摻雜他們想要引入的元素來製造納米金剛石,然後使用高溫和高壓來合成含有這些元素的納米金剛石。從原理上講,這就像做蛋糕一樣:在麵糊中添加糖比在烘焙後添加糖要簡單得多,也更有效。研究小組研究納米金剛石的出發點是一種富含碳的材料(類似於木炭,保羅斯基說)研究人員將這種材料紡成一種輕質多孔基質,稱為氣凝膠。

然後在碳氣凝膠中摻雜了一種叫做正矽酸四乙酯的含矽分子,這種分子被化學地整合在碳氣凝膠中。研究人員將這些反應物密封在一個金剛石砧細胞的墊圈內,這樣可以在墊圈內產生高達15千兆帕的壓力。作為參考,1gigapascal大約是10000個大氣壓,或者是海洋最深處壓力的10倍。為了防止氣凝膠在如此極端的壓力下被壓碎,使用氬氣作為壓力介質。在將材料加載到高壓下後,研究人員用雷射將電池加熱到3100華氏度以上,超過太陽表面溫度的三分之一。


在與華盛頓大學化學工程榮譽退休教授e·詹姆斯·戴維斯(E. James

Davis)的合作中發現:在這種溫度下,固態氬熔化形成超臨界流體。通過這一過程,將碳氣凝膠轉化為含有矽基摻雜分子形成發光點缺陷的納米金剛石。納米金剛石發出的深紅光波長約為740納米,這在醫學成像中很有用,摻雜其他元素的納米金剛石可以發出其他顏色。可以在元素周期表上扔一個飛鏢,只要我們擊中的元素是溶於鑽石的,我們就可以用這種方法把它有意地合成納米鑽石,可以製造出光譜廣泛的納米金剛石,它們可以為成像目的發射不同的顏色。

華盛頓大學博士後研究員Matthew Crane操作的設備使用雷射加熱高壓鑽石砧細胞墊圈,使其溫度超過3100華氏度,超過太陽表明溫度的三分之一。圖片:Mark Stone/University of Washington

也可以利用這種分子摻雜方法,用兩個或兩個以上不同的摻雜原子製造出更複雜的點缺陷,包括以前從未產生過的全新缺陷。令人驚訝的是,研究人員發現他們的納米金剛石還含有另外兩種他們不打算引入的元素——用作壓力介質的氬和來自空氣中的氮。就像研究人員打算引入的矽一樣,氮原子和氬原子已經完全融入到納米金剛石的晶體結構中。這標誌著科學家首次使用高溫高壓組裝技術將稀有氣體元素氬引入納米金剛石晶格結構。要迫使無反應的原子與化合物中的其他物質結合是不容易的。


這是一個意外,一個完全的驚喜,但氬被納入納米金剛石的事實意味著,這種方法有可能用於製造其他點缺陷,這些點缺陷有可能用於量子信息科學研究。研究人員希望在納米金剛石的旁邊故意摻雜另一種稀有氣體氙,以便在量子通信和量子傳感等領域得到應用。研究小組的方法還可以幫助解決一個宇宙之謎:在外層空間發現了納米金剛石,而外層空間的某些物質(如超新星或高能碰撞)會向它們注入惰性氣體。儘管保羅斯基和團隊開發的方法是在地球上摻雜納米金剛石,但其發現可以幫助科學家了解哪些類型的外星事件觸發了遠離地球的宇宙摻雜。

博科園-科學科普|研究/來自: 華盛頓大學

參考期刊文獻:《科學進展》

DOI: 10.1126/sciadv.aau6073

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