Cette image au microscope électronique montre une nanoparticule hybride constituée d'un nanodiamant (environ 50 nanomètres de large) recouvert de nanoparticules d'argent plus petites qui améliorent les propriétés optiques du diamant. Crédit :Min Ouyang
Les nanomatériaux ont le potentiel d'améliorer de nombreuses technologies de nouvelle génération. Ils promettent d'accélérer les puces informatiques, augmenter la résolution des appareils d'imagerie médicale et rendre l'électronique plus économe en énergie. Mais donner aux nanomatériaux les bonnes propriétés peut prendre du temps et être coûteux. Un nouveau, Une méthode rapide et peu coûteuse pour la construction de nanomatériaux hybrides à base de diamant pourrait bientôt lancer le domaine.
Des chercheurs de l'Université du Maryland ont développé une méthode pour construire des nanoparticules hybrides à base de diamant en grandes quantités à partir de zéro, contournant ainsi de nombreux problèmes avec les méthodes actuelles. La technique est décrite dans le 8 juin, Numéro 2016 de la revue Communication Nature .
Le processus commence par minuscule, des diamants nanométriques qui contiennent un type spécifique d'impureté :un seul atome d'azote là où devrait se trouver un atome de carbone, avec un espace vide juste à côté, résultant d'un deuxième atome de carbone manquant. Cette impureté de "lacune d'azote" confère à chaque diamant des propriétés optiques et électromagnétiques particulières.
En attachant d'autres matériaux aux grains de diamant, tels que des particules métalliques ou des matériaux semi-conducteurs appelés "points quantiques, " les chercheurs peuvent créer une variété de nanoparticules hybrides personnalisables, y compris des semi-conducteurs et des aimants à l'échelle nanométrique avec des propriétés précisément adaptées.
"Si vous associez l'un de ces diamants à des nanoparticules d'argent ou d'or, le métal peut améliorer les propriétés optiques du nanodiamant. Si vous couplez le nanodiamant à une boîte quantique semi-conductrice, la particule hybride peut transférer l'énergie plus efficacement, " a déclaré Min Ouyang, professeur agrégé de physique à l'UMD et auteur principal de l'étude.
Les preuves suggèrent également qu'une seule lacune d'azote présente des propriétés physiques quantiques et pourrait se comporter comme un bit quantique, ou qubit, à température ambiante, selon Ouyang. Les qubits sont les unités fonctionnelles de la technologie informatique quantique encore insaisissable, qui pourrait un jour révolutionner la façon dont les humains stockent et traitent l'information. Presque tous les qubits étudiés à ce jour nécessitent des températures ultra-froides pour fonctionner correctement.
Un qubit qui fonctionne à température ambiante représenterait un pas en avant significatif, facilitant l'intégration des circuits quantiques dans l'industrie, électronique commerciale et grand public. Les nouveaux nanomatériaux hybrides diamant décrits dans Communication Nature sont très prometteurs pour améliorer les performances des lacunes d'azote lorsqu'elles sont utilisées comme qubits, Ouyang a noté.
Cette image au microscope électronique montre deux nanoparticules hybrides, chacun étant constitué d'un nanodiamant (d'environ 50 nanomètres de large) recouvert de nanoparticules d'argent plus petites qui améliorent les propriétés optiques du diamant. Crédit :Min Ouyang
Bien que de telles applications soient prometteuses pour l'avenir, La principale percée d'Ouyang et de ses collègues est leur méthode de construction des nanoparticules hybrides. Bien que d'autres chercheurs aient associé des nanodiamants à des nanoparticules complémentaires, ces efforts reposaient sur des méthodes relativement imprécises, comme installer manuellement les diamants et les particules les uns à côté des autres sur une plus grande surface un par un. Ces méthodes sont coûteuses, chronophage et introduire une foule de complications, disent les chercheurs.
« Notre innovation clé est que nous pouvons désormais produire de manière fiable et efficace ces particules hybrides autonomes en grand nombre, " a expliqué Ouyang, qui a également des nominations au UMD Center for Nanophysics and Advanced Materials et au Maryland NanoCenter, avec une chaire affiliée au département UMD de science et génie des matériaux.
La méthode développée par Ouyang et ses collègues, L'associé de recherche en physique de l'UMD Jianxiao Gong et l'étudiant diplômé en physique Nathaniel Steinsultz, permet également un contrôle précis des propriétés des particules, tels que la composition et le nombre total de particules non diamantées. Les nanoparticules hybrides pourraient accélérer la conception de qubits à température ambiante pour les ordinateurs quantiques, des colorants plus brillants pour l'imagerie biomédicale, et capteurs magnétiques et de température très sensibles, pour ne citer que quelques exemples.
"Les matériaux hybrides ont souvent des propriétés uniques qui découlent des interactions entre les différents composants de l'hybride. Cela est particulièrement vrai dans les matériaux nanostructurés où de fortes interactions mécaniques quantiques peuvent se produire, " dit Matthieu Doty, un professeur agrégé de science et d'ingénierie des matériaux à l'Université du Delaware qui n'a pas participé à l'étude. "La nouvelle méthode de l'équipe UMD crée une opportunité unique pour la production en masse de matériaux hybrides sur mesure. Je pense que cette avancée permettra un certain nombre de nouvelles approches pour les technologies de détection et de diagnostic."
Les propriétés spéciales des nanodiamants sont déterminées par leurs lacunes en azote, qui provoquent des défauts dans la structure cristalline du diamant. Les diamants purs sont constitués d'un réseau ordonné d'atomes de carbone et sont complètement transparents. Cependant, les diamants purs sont assez rares dans les gisements de diamants naturels; la plupart présentent des défauts résultant d'impuretés non carbonées comme l'azote, bore et phosphore. De tels défauts créent les variations de couleur subtiles et souhaitables observées dans les diamants de pierres précieuses.
Les diamants nanométriques utilisés dans l'étude ont été créés artificiellement, et avoir au moins une lacune d'azote. Cette impureté entraîne une structure de liaison altérée dans le réseau de carbone par ailleurs ordonné. La liaison altérée est la source de l'optique, propriétés électromagnétiques et physiques quantiques qui rendent les diamants utiles lorsqu'ils sont associés à d'autres nanomatériaux.
Bien que l'étude actuelle décrive des diamants avec des substitutions d'azote, Ouyang souligne que la technique peut également être étendue à d'autres impuretés du diamant, chacun d'eux pourrait ouvrir de nouvelles possibilités.
« L'une des principales forces de notre technique est qu'elle est largement utile et peut être appliquée à une variété de types de diamants et associée à une variété d'autres nanomatériaux, " a expliqué Ouyang. " Il peut également être agrandi assez facilement. Nous sommes intéressés à étudier plus avant la physique fondamentale, mais aussi s'orienter vers des applications spécifiques. Le potentiel d'intrication quantique à température ambiante est particulièrement excitant et important."
