Вчені розгадують хімічний механізм наноалмазів, покритих кремнеземом

Покриття чогось рідкісного — крихітних уламків алмазу — основним інгредієнтом у піску може здатися незвичайним, але кінцевий результат має низку цінних застосувань. Хитрість у тому, що ніхто напевно не знає, як з’єднуються два матеріали.

Тепер дослідники з Університету штату Сан-Хосе (SJSU) повідомляють у журналі ACS Nanoscience Au, що спиртові хімічні групи на поверхні алмазу відповідають за однорідну кремнеземну оболонку, результат, який може допомогти їм створювати кращі наноалмази з кремнеземним покриттям — крихітні інструменти. із застосуваннями від біомічення ракових клітин до квантового зондування.

Команда дослідників розгадала механізм зв’язку завдяки потужному рентгенівському випромінюванню, яке генерує джерело світла Стенфордського синхротронного випромінювання (SSRL) у Національній прискорювальній лабораторії SLAC DOE.

«Тепер, коли ми знаємо ці найдрібніші деталі — як працює зв’язок, а не просто гадаємо — ми можемо краще досліджувати нові алмазні гібридні системи», — сказав Авраам Волкотт, головний дослідник дослідження та професор SJSU.

Велика частина робіт Волкотта стосується наноалмазів, синтетичних алмазів, розбитих на настільки крихітні шматочки, що вам знадобиться 40 000 з них, щоб охопити ширину однієї людської волосини. Теоретично наноалмази мають ідеальні вуглецеві решітки, але іноді атом азоту прокрадається і замінює атом вуглецю поруч із відсутнім атомом вуглецю. Технічно це дефект, але він корисний — дефект реагує на магнітні поля, електричні поля та світло при кімнатній температурі, а це означає, що наноалмази мають багато застосувань.

Їх можна використовувати як кубіти, базову одиницю для квантового комп’ютера. Вдарте по них зеленим світлом, і вони засвітяться червоним, щоб біологи могли помістити їх у живі клітини та відстежувати, як вони рухаються. Але вчені не можуть легко запрограмувати наноалмази, щоб вони йшли туди, куди вони хочуть, а краї алмазів гострі та можуть розірвати клітинні мембрани.

Покриття їх кремнеземом розв’язувати обидві проблеми. Кремнезем утворює гладку однорідну оболонку, яка покриває гострі краї. Він також створює модифіковану поверхню, яку вчені можуть прикрасити мітками, щоб спрямувати частинки до певних клітин, наприклад ракових клітин або нейронів. «Алмаз із кремнеземною оболонкою стає керованою системою», — сказав Волкотт.

Але протягом деякого часу, сказав Волкотт, вчені не дійшли згоди щодо того, як утворюється ця оболонка. Його команда показала, що гідроксид амонію з етанолом, хімікатами, які зазвичай беруть участь у процесі нанесення покриття, виробляє багато спиртових груп на поверхні наноалмаза, і ці спирти сприяють зростанню оболонки.

«Ніхто не міг пояснити це протягом більше ніж 10 років, — сказав Волкотт, — але ми змогли витягти цю інформацію».

Після вивчення частинок за допомогою трансмісійних електронних мікроскопів у Національній лабораторії Лоуренса Берклі, дослідники провели рентгенівське випромінювання SSRL на наноалмази, щоб дослідити поверхні, приховані під кремнеземним покриттям.

Датчик перехідного краю SSRL — надчутливий термометр, який збирає зміни температури та перетворює їх на енергію рентгенівського випромінювання — виявив, які хімічні групи присутні на поверхні наноалмазів.

Використовуючи другий метод — рентгенівську абсорбційну спектроскопію (XAS) — команда генерувала рухливі електрони на поверхні наноалмаза, а потім ловила їх, коли вони проходили крізь кремнеземну оболонку та втікали. Чим товще було покриття, тим менше електронів потрапляло на поверхню. Сигнали діяли як крихітна вимірювальна стрічка, показуючи товщину кремнеземного покриття в нанометровому масштабі.

«XAS є потужним, тому що ви можете виявити щось, що занурено, що приховано, як алмаз під силікатною оболонкою», — сказав Волкотт. «Люди ніколи раніше не робили цього з наноалмазами, тож окрім з’ясування механізму зв’язку, ми також показали, що XAS корисний для матеріалістів і хіміків».

У майбутньому Волкотт, який відомий тим, що надає можливості для практичних досліджень, хоче залучити студентів до роботи над покриттям наноалмазів іншими матеріалами. Наприклад, оксиди титану, цинку та інших металів можуть відкрити нові можливості для застосування квантового зондування та біологічного маркування.

«Наноалмази — це неймовірні мікроінструменти з негайним застосуванням», — сказала Карен Лопес, доктор біомедичної інженерії. студент Каліфорнійського університету в Ірвайні, який, як і інші автори SJSU, працював над дослідженням, бувши студентом. «Тепер, коли ми розуміємо, як утворюється силікатна оболонка, ми можемо почати її оптимізувати та розширити на інші типи матеріалів». Джерело