Los científicos están entusiasmados con los diamantes, no con los tipos que adornan las joyas, pero la variedad microscópica que son menores que el ancho de un cabello humano. Estos llamados "nanodiamantes" están compuestos casi en su totalidad por carbono. Pero al introducir otros elementos en la red cristalina del nanodiamante, un método conocido como "dopaje", los investigadores podrían producir rasgos útiles en la investigación médica, computación y más allá.

En un artículo publicado el 3 de mayo en Avances de la ciencia , investigadores de la Universidad de Washington, El Laboratorio de Investigación Naval de EE. UU. y el Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico anunciaron que pueden usar una presión y temperatura extremadamente altas para dopar nanodiamantes. El equipo utilizó este enfoque para dopar nanodiamantes con silicio, haciendo que los diamantes brillen con un rojo intenso, una propiedad que los haría útiles para la obtención de imágenes de células y tejidos.

El equipo descubrió que su método también podía dopar nanodiamantes con argón, un gas noble y un elemento no reactivo relacionado con el helio que se encuentra en los globos. Los nanodiamantes dopados con tales elementos podrían aplicarse a la ciencia de la información cuántica, un campo en rápida expansión que incluye la comunicación cuántica y la computación cuántica.

"Nuestro enfoque nos permite dopar intencionalmente otros elementos dentro de los nanocristales de diamante seleccionando cuidadosamente los materiales de partida moleculares utilizados durante su síntesis, "dijo el autor correspondiente Peter Pauzauskie, profesor asociado de ciencia e ingeniería de materiales de la UW e investigador del Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico.

Hay otros métodos para dopar nanodiamantes, como la implantación de iones, pero este proceso a menudo daña la estructura cristalina y los elementos introducidos se colocan al azar, lo que limita el rendimiento y las aplicaciones. Aquí, los investigadores decidieron no dopar los nanodiamantes después de haberlos sintetizado. En lugar de, Doparon los ingredientes moleculares para hacer nanodiamantes con el elemento que querían introducir, luego usó alta temperatura y presión para sintetizar nanodiamantes con los elementos incluidos.

En principio, es como hacer un pastel:es mucho más simple y efectivo agregar azúcar a la masa, en lugar de intentar agregar azúcar al pastel después de hornearlo.

El punto de partida del equipo para los nanodiamantes fue un material rico en carbono, similar al carbón vegetal, dijo Pauzauskie, que los investigadores convirtieron en un peso ligero, matriz porosa conocida como aerogel. Luego doparon el aerogel de carbono con una molécula que contiene silicio llamada ortosilicato de tetraetilo, que se integró químicamente dentro del aerogel de carbono. Los investigadores sellaron los reactivos dentro de la junta de una celda de yunque de diamante, lo que podría generar presiones de hasta 15 gigapascales dentro de la junta. Para referencia, 1 gigapascal es aproximadamente 10, 000 atmósferas de presión, o 10 veces la presión en la parte más profunda del océano.

Para evitar que el aerogel sea aplastado a presiones tan extremas, ellos usaron argón, que se solidifica a 1.8 gigapascales, como medio de presión. Después de cargar el material a alta presión, los investigadores usaron un láser para calentar la celda por encima de 3, 100 F, más de un tercio de la temperatura superficial del sol. En colaboración con E. James Davis, profesor emérito de ingeniería química de la Universidad de Washington, vieron que a estas temperaturas el argón sólido se derrite para formar un fluido supercrítico.

A través de este proceso, el aerogel de carbono se convirtió en nanodiamantes que contenían defectos puntuales luminiscentes formados a partir de moléculas dopantes a base de silicio. Los nanodiamantes emitieron una luz de color rojo oscuro a una longitud de onda de aproximadamente 740 nanómetros, que es útil en imágenes médicas. Los nanodiamantes dopados con otros elementos podrían emitir otros colores.

"Podemos lanzar un dardo a la tabla periódica y, siempre que el elemento que golpeemos sea soluble en diamante, podríamos incorporarlo deliberadamente en el nanodiamante usando este método, ", dijo Pauzauskie." Podrías hacer un amplio espectro de nanodiamantes que emitan diferentes colores para propósitos de imágenes. También podemos utilizar este método de dopaje molecular para hacer defectos puntuales más complejos con dos o más átomos dopantes diferentes, incluidos defectos completamente nuevos que no se han creado antes ".

Asombrosamente, los investigadores descubrieron que sus nanodiamantes también contenían otros dos elementos que no tenían la intención de introducir:el argón utilizado como medio de presión y el nitrógeno del aire. Al igual que el silicio que los investigadores tenían la intención de introducir, los átomos de nitrógeno y argón se habían incorporado completamente a la estructura cristalina del nanodiamante.

Esta es la primera vez que los científicos utilizan alta temperatura, Ensamblaje de alta presión para introducir un elemento de gas noble, argón, en una estructura de celosía de nanodiamantes. No es fácil forzar a los átomos no reactivos a asociarse con otros materiales en un compuesto.

"Esto fue fortuito, una completa sorpresa, ", dijo Pauzauskie." Pero el hecho de que el argón se incorporó a los nanodiamantes significa que este método es potencialmente útil para crear otros defectos puntuales que tienen potencial para su uso en la investigación de la ciencia de la información cuántica ".

Los investigadores esperan después de dopar intencionalmente los nanodiamantes con xenón, otro gas noble, para su posible uso en campos como las comunicaciones cuánticas y la detección cuántica.

Finalmente, El método del equipo también podría ayudar a resolver un misterio cósmico:se han encontrado nanodiamantes en el espacio exterior, y algo ahí fuera, como supernovas o colisiones de alta energía, los adultera con gases nobles. Aunque los métodos desarrollados por Pauzauskie y su equipo son para dopar nanodiamantes aquí en la Tierra, sus hallazgos podrían ayudar a los científicos a saber qué tipos de eventos extraterrestres desencadenan el dopaje cósmico lejos de casa.