Наноалмазы, легированные кремнием, могут быть полезны для визуализации клеток и тканей

Исследователи с большим энтузиазмом относятся к бриллиантам – не к тем видам, которые украшают ювелирные изделия, а к микроскопическому типу, который ниже толщины прядей человеческих волос. Эти так называемые «наноалмазы» почти полностью состоят из углерода.

Исследователи UW Эбби Ганас и Мэтью Крейн работают на оборудовании, которое использует лазер для нагрева прокладки алмаза высокого давления наковальня выше 3100 ° F, более трети температуры солнца. (Фото предоставлено: Марк Стоун / Вашингтонский университет)

Однако, добавляя другие элементы в кристаллическую решетку наноалмаза с помощью метода, называемого «допингом», ученые могли разработать атрибуты, ценные в медицинских исследованиях, вычислениях и многом другом.

В статье, опубликованной в Science Advances 3 мая rd 2019, ученые из Университета Вашингтона, Военно-морской исследовательской лаборатории США и Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории сообщили что они могут легировать наноалмазы, используя очень высокое давление и температуру. Группа использовала эту технику, чтобы нанести наноалмазы кремнием, заставляя алмазы светиться темно-красным цветом – свойство, которое будет иметь многообещающее значение при визуализации клеток и тканей.

Группа обнаружила, что этот метод также может быть использован для легирования наноалмазов аргоном, благородным газом и нереакционноспособным элементом, соответствующим гелию, присутствующему в воздушных шарах. Наноалмазы, легированные такими элементами, могут быть использованы в квантовой информатике – быстро растущей области, которая включает в себя квантовые вычисления и квантовую коммуникацию.

Наш подход позволяет нам преднамеренно легировать другие элементы в нанокристаллах алмаза путем тщательного выбора молекулярных исходных материалов, используемых при их синтезе .

Питер Паузауский, корреспондент исследования и доцент кафедры материаловедения и инженерии, Вашингтонский университет

Паузауски также является исследователем в Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории.

Наноалмазы могут быть легированы другими методами, такими как ионная имплантация, но этот процесс обычно вызывает повреждение кристаллической структуры, а добавленные элементы располагаются случайным образом, что ограничивает производительность и возможности применения. В этом случае ученые решили, что наноалмазы не легируются после их производства. Скорее, они легировали молекулярные элементы для получения наноалмазов тем элементом, который хотели добавить, и позже они использовали высокую температуру и давление для получения наноалмазов с введенными элементами.

Вообще говоря, его можно сравнить с приготовлением тортов: легче и эффективнее смешивать сахар с жидким тестом, чем пытаться добавлять сахар в торт после выпечки.

Основой для наноалмазов был богатый углеродом материал – аналог древесного угля, сообщил Паузауский, – который ученые превратили в легкую пористую матрицу, называемую аэрогелем. Позже они легировали углеродный аэрогель кремнийсодержащей молекулой, известной как тетраэтилортосиликат, который был химически включен в углеродный аэрогель. Ученые плотно закрыли реагенты внутри прокладки ячейки с алмазной наковальней, что могло создать давление до 15 гигапаскалей внутри прокладки. Для справки: 1 гигапаскаль составляет около 10000 атмосфер давления или в 10 раз больше давления в самой глубокой части океана.

Они использовали аргон, который превращается в твердое вещество при 1,8 гигапаскалях, в качестве среды давления, так что предотвращается дробление аэрогеля при таких высоких давлениях. Подвергнув материал экстремальному давлению, ученые нагревали камеру выше 3100 ° F, что составляет более одной трети температуры поверхности Солнца, с помощью лазера. Работая с Е. Джеймсом Дэвисом, заслуженным профессором химического машиностроения, они обнаружили, что при этих температурах твердый аргон плавится, образуя сверхкритическую жидкость.

Этот процесс превратил углеродный аэрогель в наноалмазы, имеющие точечные люминесцентные дефекты, созданные молекулами легирующей примеси на основе кремния. Наноалмазы излучали глубокий красный свет на длине волны около 740 нм, что полезно при медицинской визуализации. Наноалмазы, легированные другими элементами, могут излучать другие цвета.

« Мы можем бросить дротик в периодическую таблицу и – если элемент, в который мы попадаем, растворимы в алмазе – мы могли бы сознательно включить его в наноалмаз, используя этот метод », – заявил Паузауский, который также является научным сотрудником Института нанотехнологий UW и Института молекулярной инженерии и наук. « Вы можете сделать широкий спектр наноалмазов, которые испускают разные цвета для создания изображений. Мы также можем использовать этот метод молекулярного легирования для создания более сложных точечных дефектов с двумя или более различными атомами легирующей примеси, включая совершенно новые дефекты, которые не были созданы ранее ».

Неожиданно ученые обнаружили, что их наноалмазы также включали два других ингредиента, которые они не планировали добавлять – аргон, используемый в качестве среды под давлением, и азот из воздуха. Как и в случае кремния, который ученые планировали добавить, атомы аргона и азота были полностью включены в кристаллическую структуру наноалмаза.

Впервые исследователи использовали высокотемпературную сборку высокого давления для включения элемента благородного газа – аргона – в структуру решетки наноалмаза. Трудно заставить нереактивные атомы соединяться с другими материалами в соединении.

Это был случайный, полный сюрприз . Но тот факт, что аргон был включен в наноалмазы, означает, что этот метод потенциально полезен для создания других точечных дефектов, которые могут быть использованы в исследованиях квантовой информатики .

Питер Паузауский, корреспондент исследования и доцент кафедры материаловедения и инженерии, Вашингтонский университет

Затем ученые хотят преднамеренно легировать наноалмазы ксеноном, другим благородным газом, для потенциального использования в таких областях, как квантовое зондирование и квантовая связь.

В конечном счете, групповой подход может также помочь разгадать космическую тайну: наноалмазы были обнаружены в космическом пространстве, и что-то там – например, сверхновые или столкновения с высокой энергией – дополняет их благородными газами. Хотя методы, созданные Паузауским и его командой, предназначены для легирования наноалмазов здесь, на Земле, их результаты могут помочь исследователям узнать, какие типы внеземных явлений вызывают космическое легирование вдали от дома.

Ведущий автор статьи – Мэтью Крейн, бывший докторант в лаборатории Паузауских, а ныне постдокторский сотрудник химического факультета UW. Соавторы – бывший научный сотрудник UW Алессио Петроне, в настоящее время в Университете Неаполя Федерико II в Италии; аспирант Райан Бек и профессор Сяосонг Ли на химическом факультете UW; бывший аспирант кафедры материаловедения и инженерии в области материаловедения Мэтью Лим, ныне научный сотрудник Национальной лаборатории Сандиа, и Сюэче Чжоу, в настоящее время инженер по надежности систем аппаратного обеспечения в Apple; и Ронда Страуд, руководитель отдела наноразмерных материалов военно-морской исследовательской лаборатории.

Исследование финансировалось Национальным научным фондом, Вашингтонским университетом, Управлением военно-морских исследований США, Американским обществом микроанализа и Тихоокеанской северо-западной национальной лабораторией.

Source link