Los nanomateriales tienen el potencial de mejorar muchas tecnologías de próxima generación. Prometen acelerar los chips de computadora, aumentar la resolución de los dispositivos de imágenes médicas y hacer que la electrónica sea más eficiente energéticamente. Pero imbuir nanomateriales con las propiedades adecuadas puede llevar mucho tiempo y ser costoso. Un nuevo Un método rápido y económico para construir nanomateriales híbridos basados ​​en diamantes pronto podría impulsar el campo hacia adelante.

Investigadores de la Universidad de Maryland desarrollaron un método para construir nanopartículas híbridas basadas en diamantes en grandes cantidades desde cero, evitando así muchos de los problemas con los métodos actuales. La técnica se describe en el 8 de junio, Número 2016 de la revista Comunicaciones de la naturaleza .

El proceso comienza con minúsculo, diamantes a nanoescala que contienen un tipo específico de impureza:un solo átomo de nitrógeno donde debería estar un átomo de carbono, con un espacio vacío justo al lado, resultante de un segundo átomo de carbono faltante. Esta impureza de "nitrógeno vacante" confiere a cada diamante propiedades ópticas y electromagnéticas especiales.

Al unir otros materiales a los granos de diamante, como partículas metálicas o materiales semiconductores conocidos como "puntos cuánticos, "los investigadores pueden crear una variedad de nanopartículas híbridas personalizables, incluidos semiconductores e imanes a nanoescala con propiedades adaptadas con precisión.

"Si emparejas uno de estos diamantes con nanopartículas de oro o plata, el metal puede mejorar las propiedades ópticas del nanodiamante. Si acopla el nanodiamante a un punto cuántico semiconductor, la partícula híbrida puede transferir energía de manera más eficiente, "dijo Min Ouyang, profesor asociado de física en la UMD y autor principal del estudio.

La evidencia también sugiere que una sola vacante de nitrógeno exhibe propiedades físicas cuánticas y podría comportarse como un bit cuántico, o qubit, a temperatura ambiente, según Ouyang. Los qubits son las unidades funcionales de la tecnología de computación cuántica, que aún es difícil de alcanzar, que algún día revolucionará la forma en que los seres humanos almacenan y procesan la información. Casi todos los qubits estudiados hasta la fecha requieren temperaturas ultra frías para funcionar correctamente.

Un qubit que funciona a temperatura ambiente representaría un importante paso adelante, facilitar la integración de circuitos cuánticos en la industria, electrónica comercial y de consumo. Los nuevos nanomateriales híbridos de diamante descritos en Comunicaciones de la naturaleza son una promesa significativa para mejorar el rendimiento de las vacantes de nitrógeno cuando se utilizan como qubits, Ouyang señaló.

Si bien estas aplicaciones son prometedoras para el futuro, El principal avance de Ouyang y sus colegas es su método para construir las nanopartículas híbridas. Aunque otros investigadores han emparejado nanodiamantes con nanopartículas complementarias, tales esfuerzos se basaron en métodos relativamente imprecisos, como instalar manualmente los diamantes y las partículas uno al lado del otro en una superficie más grande, uno por uno. Estos métodos son costosos, consume mucho tiempo e introduce una serie de complicaciones, dicen los investigadores.

"Nuestra innovación clave es que ahora podemos producir de manera confiable y eficiente estas partículas híbridas independientes en grandes cantidades, "explicó Ouyang, quien también tiene citas en el Centro UMD de Nanofísica y Materiales Avanzados y el NanoCenter de Maryland, con una cátedra afiliada en el Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales de la UMD.

El método desarrollado por Ouyang y sus colegas, El asociado de investigación en física de la UMD, Jianxiao Gong, y el estudiante graduado de física Nathaniel Steinsultz, también permite un control preciso de las propiedades de las partículas, como la composición y el número total de partículas que no son de diamante. Las nanopartículas híbridas podrían acelerar el diseño de qubits a temperatura ambiente para computadoras cuánticas, tintes más brillantes para imágenes biomédicas, y sensores magnéticos y de temperatura de alta sensibilidad, por nombrar algunos ejemplos.

"Los materiales híbridos a menudo tienen propiedades únicas que surgen de interacciones entre los diferentes componentes del híbrido. Esto es particularmente cierto en materiales nanoestructurados donde pueden ocurrir fuertes interacciones de mecánica cuántica, "dijo Matthew Doty, profesor asociado de ciencia e ingeniería de materiales en la Universidad de Delaware que no participó en el estudio. "El nuevo método del equipo de UMD crea una oportunidad única para la producción a granel de materiales híbridos personalizados. Espero que este avance permita una serie de nuevos enfoques para tecnologías de detección y diagnóstico".

Las propiedades especiales de los nanodiamantes están determinadas por sus vacantes de nitrógeno, que provocan defectos en la estructura cristalina del diamante. Los diamantes puros consisten en una red ordenada de átomos de carbono y son completamente transparentes. Sin embargo, los diamantes puros son bastante raros en los depósitos de diamantes naturales; la mayoría tienen defectos resultantes de impurezas que no son de carbono, como el nitrógeno, boro y fósforo. Tales defectos crean las variaciones de color sutiles y deseables que se ven en los diamantes de piedras preciosas.

Los diamantes a nanoescala utilizados en el estudio se crearon artificialmente, y tener al menos una vacante de nitrógeno. Esta impureza da como resultado una estructura de enlace alterada en la red de carbono por lo demás ordenada. El enlace alterado es la fuente de la óptica, propiedades físicas electromagnéticas y cuánticas que hacen que los diamantes sean útiles cuando se combinan con otros nanomateriales.

Aunque el estudio actual describe diamantes con sustituciones de nitrógeno, Ouyang señala que la técnica también se puede extender a otras impurezas de diamantes, cada uno de los cuales podría abrir nuevas posibilidades.

"Una de las principales fortalezas de nuestra técnica es que es muy útil y se puede aplicar a una variedad de tipos de diamantes y combinarse con una variedad de otros nanomateriales, "Explicó Ouyang." También se puede ampliar con bastante facilidad. Estamos interesados ​​en seguir estudiando la física básica, pero también avanzando hacia aplicaciones específicas. El potencial de entrelazamiento cuántico a temperatura ambiente es particularmente emocionante e importante ".