Los diamantes no son solo gemas relucientes y brillantes para joyería. Los más pequeños, de solo unos pocos nanómetros de ancho, también son cruciales para la administración de fármacos, sensores y procesadores de computadoras cuánticas. La producción de nanopartículas de diamante que tengan un tamaño constante es importante para el éxito de estas tecnologías. Ahora, los científicos informan sobre un método para cultivar nanodiamantes ultra uniformes sin necesidad de explosivos. La técnica también podría usarse para agregar defectos beneficiosos de un solo átomo en cristales por lo demás perfectos.

Los investigadores presentarán sus resultados hoy en la reunión de primavera de la American Chemical Society (ACS).

"Es fascinante que, aunque un diamante es químicamente bastante simple (es un elemento, el carbono), hacer este material a escala nanométrica es extremadamente difícil", dice Hao Yan, Ph.D., investigador principal del proyecto.

El carbono se convierte en diamante cuando los átomos de este elemento se organizan en un patrón cúbico 3D rígido en condiciones de alta presión y alta temperatura. Los investigadores crearon previamente nanodiamantes en el laboratorio al detonar un explosivo, como el trinitrotolueno (conocido como TNT), en un recipiente sellado de acero inoxidable. La explosión convierte el carbono del material explosivo en diminutas partículas de diamante. Sin embargo, este método tosco es difícil de controlar, explica Yan. Los cristales que se forman son de tamaño desigual, lo que requiere pasos adicionales para clasificarlos para diferentes tecnologías.

Para idear una forma más precisa de hacer nanodiamantes, el grupo de Yan en la Universidad del Norte de Texas investigó la química que usa la naturaleza. "Nos dimos cuenta de que los lugares donde se forman los diamantes en el manto de la Tierra contienen mucho hierro y compuestos de hierro y carbono, incluidos carburos y carbonatos", dice Yan. Y cuando el carburo de hierro reacciona con el óxido de hierro entre la corteza y el manto superior, crecen los diamantes.

Armado con este conocimiento, Tengteng Lyu, un estudiante graduado en el laboratorio de Yan que presenta su trabajo en la reunión, diseñó un proceso químico para imitar el entorno litosférico que se encuentra debajo de la superficie de la Tierra. Primero, Lyu creó nanopartículas de carburo de hierro de tamaño uniforme como fuente de carbono para los diamantes. Las diminutas partículas estaban esparcidas por una matriz de óxido de hierro, como si el carburo de hierro fueran chispas de chocolate dentro de la masa para galletas.

Luego, Lyu colocó la "masa" precursora de carbono en un ambiente de alta presión y alta temperatura, similar a las condiciones en los lugares donde se forman los diamantes naturales. Los compuestos reaccionaron y resultaron nanodiamantes muy uniformes. El nuevo método crea cristales tan pequeños como de 2 nm de ancho con diferencias entre ellos de menos de un nanómetro. Yan dice que esto es un orden de magnitud mejor de lo que cualquiera puede hacer sin un tratamiento post-sintético adicional o pasos de purificación.

La creación de nanodiamantes uniformes y perfectos es excelente, dice Yan, pero estos materiales pueden ser aún más útiles cuando tienen defectos, como espacios vacíos en la estructura del diamante y el reemplazo de átomos de carbono vecinos con nitrógeno, silicio, níquel u otro elemento. Debido a que los átomos que no son de carbono colorean ligeramente el material, se les llama "centros de color". Las nanopartículas con un solo centro de color son muy deseables porque pueden almacenar información de forma segura en computadoras cuánticas y dispositivos de telecomunicaciones.

Tradicionalmente, se utiliza un haz de átomos de alta energía, como nitrógeno o silicio, para bombardear el diamante e incrustar estos elementos en la estructura del cristal. Sin embargo, este método no puede controlar cuántos centros de color se agregan a un diamante, lo que requiere pasos de procesamiento posterior para obtener cristales con un solo átomo defectuoso. Además, según el extenso trabajo de modelado computacional de Lyu, cuando los diámetros de los diamantes se reducen a 2-3 nm, el rango de tamaño que el equipo de Yan ahora puede hacer de manera consistente, este enfoque de haz atómico se vuelve energéticamente desfavorable. Pero con su nuevo método, Yan cree que podrían diseñar una forma de reemplazar un carbono de los miles presentes en su "masa" precursora de carbono. Él estima que ahora podrían hacer suficientes nanodiamantes centrales de un solo color para un par de miles de computadoras cuánticas con un experimento de síntesis, aunque los diminutos cristales tendrían que organizarse correctamente antes de poder realizar los cálculos.

"Ahora tenemos una plataforma ideal para idear una manera de hacer un nanodiamante central de un solo color, que es un gran avance para una serie de tecnologías relacionadas con los diamantes. Pero también, en un sentido más amplio, sería una demostración fascinante de cómo se puede controlar un solo átomo en una estructura mucho más grande", dice Yan. + Explora más

Nuevas posibilidades de detección cuántica con óptica no lineal de diamantes