Recubrir algo raro (pequeños fragmentos de diamante) con el ingrediente principal en arena puede parecer inusual, pero el resultado final tiene varias aplicaciones valiosas. El truco es que nadie sabe con seguridad cómo se unen los dos materiales.

Ahora, investigadores de la Universidad Estatal de San José (SJSU) informan en la revista ACS Nanoscience Au que los grupos químicos de alcohol en la superficie de un diamante son responsables de capas de sílice útilmente uniformes, un resultado que podría ayudarlos a crear mejores nanodiamantes recubiertos de sílice:pequeñas herramientas con aplicaciones que van desde el bioetiquetado de células cancerosas hasta la detección cuántica.

El equipo desentrañó el mecanismo de unión gracias a potentes rayos X generados por la fuente de luz de radiación sincrotrón de Stanford (SSRL) en el Laboratorio Nacional del Acelerador SLAC del DOE.

"Ahora que conocemos estos detalles más finos (cómo funciona el vínculo en lugar de simplemente adivinar) podemos explorar mejor nuevos sistemas híbridos de diamantes", dijo Abraham Wolcott, investigador principal del estudio y profesor de SJSU.

Gran parte del trabajo de Wolcott se refiere a nanodiamantes, diamantes sintéticos rotos en pedazos tan pequeños que se necesitarían 40.000 de ellos para abarcar el ancho de un solo cabello humano. En teoría, los nanodiamantes tienen redes de carbono perfectas, pero ocasionalmente un átomo de nitrógeno se cuela y reemplaza un átomo de carbono junto a un átomo de carbono faltante. Técnicamente es un defecto, pero es útil:el defecto responde a campos magnéticos, campos eléctricos y luz, todo a temperatura ambiente, lo que significa que los nanodiamantes tienen muchas aplicaciones.

Se pueden utilizar como qubits, la unidad básica de una computadora cuántica. Golpéelos con luz verde y se iluminarán en rojo, para que los biólogos puedan colocarlos en células vivas y rastrearlos a medida que se mueven. Pero los científicos no pueden programar fácilmente los nanodiamantes para que vayan donde quieran, y los bordes de los diamantes son puntiagudos y pueden romper las membranas celulares.

Recubrirlos con sílice resuelve ambos problemas. La sílice forma una capa suave y uniforme que cubre los bordes afilados. También crea una superficie modificable, que los científicos pueden decorar con etiquetas para dirigir las partículas hacia células específicas, como células cancerosas o neuronas. "El diamante con cáscara de sílice se convierte en un sistema controlable", afirmó Wolcott.

Pero desde hace algún tiempo, dijo Wolcott, los científicos no han estado de acuerdo sobre cómo se forma ese caparazón. Su equipo demostró que el hidróxido de amonio con etanol, químicos normalmente incluidos en el proceso de recubrimiento, produce muchos grupos alcohol en la superficie del nanodiamante, y esos alcoholes facilitan el crecimiento de la cáscara.

"Nadie pudo explicarlo durante más de 10 años", dijo Wolcott, "pero pudimos desentrañar esa información".

Después de estudiar las partículas con microscopios electrónicos de transmisión en la Fundición Molecular del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del DOE, los investigadores dispararon rayos X SSRL a nanodiamantes para explorar las superficies ocultas debajo del recubrimiento de sílice.

El sensor de borde de transición de SSRL (un termómetro supersensible que recoge los cambios de temperatura y los convierte en energías de rayos X) reveló qué grupos químicos estaban presentes en las superficies de los nanodiamantes.

Utilizando una segunda técnica, la espectroscopia de absorción de rayos X (XAS), el equipo generó electrones móviles en la superficie del nanodiamante, luego los atrapó mientras viajaban a través de la capa de sílice y escaparon. Cuanto más grueso era el recubrimiento, menos electrones llegaban a la superficie. Las señales actuaron como una pequeña cinta métrica, mostrando el espesor del recubrimiento de sílice en escala nanométrica.

"XAS es poderoso porque puedes detectar algo que está sumergido, que está oculto, como un diamante debajo de una capa de sílice", dijo Wolcott. "La gente nunca antes había hecho esto con nanodiamantes, por lo que, además de descubrir el mecanismo de enlace, también hemos demostrado que XAS es útil para los científicos y químicos de materiales".

En el futuro, Wolcott, conocido por brindar oportunidades de investigación práctica, quiere que los estudiantes trabajen recubriendo nanodiamantes con otros materiales. El titanio, el zinc y otros óxidos metálicos, por ejemplo, podrían abrir nuevas vías en aplicaciones de detección cuántica y etiquetado biológico.

"Los nanodiamantes son microherramientas increíbles con aplicaciones inmediatas", dijo Karen López, Ph.D. en ingeniería biomédica. estudiante de la Universidad de California, Irvine quien, al igual que los otros autores de SJSU, trabajó en el estudio cuando era estudiante. "Ahora que entendemos cómo se forma la capa de sílice, podemos empezar a optimizarla y ampliarla a otros tipos de materiales".

Más información: Perla J. Sandoval et al, Diamantes cuánticos en la playa:conocimientos químicos sobre el crecimiento de sílice en diamantes a nanoescala mediante simulación y caracterización multimodal, ACS Nanoscience Au (2023). DOI:10.1021/acsnanoscienceau.3c00033

Proporcionado por el Laboratorio Nacional del Acelerador SLAC