Une vue latérale d'une cellule à enclume de diamant, utilisé pour générer des pressions supérieures à 15 gigapascals entre les deux diamants synthétiques visibles près du centre de la cellule. Crédit :Mark Stone/Université de Washington
Les scientifiques sont enthousiasmés par les diamants - pas les types qui ornent les bijoux, mais la variété microscopique qui est inférieure à la largeur d'un cheveu humain. Ces soi-disant « nanodiamants » sont presque entièrement constitués de carbone. Mais en introduisant d'autres éléments dans le réseau cristallin du nanodiamant - une méthode connue sous le nom de "dopage" - les chercheurs pourraient produire des traits utiles dans la recherche médicale, calcul et au-delà.
Dans un article publié le 3 mai dans Avancées scientifiques , chercheurs de l'Université de Washington, le U.S. Naval Research Laboratory et le Pacific Northwest National Laboratory ont annoncé qu'ils peuvent utiliser une pression et une température extrêmement élevées pour doper les nanodiamants. L'équipe a utilisé cette approche pour doper des nanodiamants avec du silicium, faisant briller les diamants d'un rouge profond, une propriété qui les rendrait utiles pour l'imagerie cellulaire et tissulaire.
L'équipe a découvert que leur méthode pouvait également doper les nanodiamants avec de l'argon, un gaz noble et un élément non réactif lié à l'hélium trouvé dans les ballons. Les nanodiamants dopés avec de tels éléments pourraient être appliqués à la science de l'information quantique, un domaine en pleine expansion qui comprend la communication quantique et l'informatique quantique.
"Notre approche nous permet de doper intentionnellement d'autres éléments au sein des nanocristaux de diamant en sélectionnant soigneusement les matières premières moléculaires utilisées lors de leur synthèse, " a déclaré l'auteur correspondant Peter Pauzauskie, professeur agrégé de science et d'ingénierie des matériaux à l'UW et chercheur au Pacific Northwest National Laboratory.
Il existe d'autres méthodes pour doper les nanodiamants, comme l'implantation ionique, mais ce processus endommage souvent la structure cristalline et les éléments introduits sont placés au hasard, ce qui limite les performances et les applications. Ici, les chercheurs ont décidé de ne pas doper les nanodiamants après leur synthèse. Au lieu, ils ont dopé les ingrédients moléculaires pour fabriquer des nanodiamants avec l'élément qu'ils voulaient introduire, puis utilisé une température et une pression élevées pour synthétiser des nanodiamants avec les éléments inclus.
En principe, c'est comme faire un gâteau :c'est beaucoup plus simple et plus efficace d'ajouter du sucre à la pâte, plutôt que d'essayer d'ajouter du sucre au gâteau après la cuisson.
Le point de départ de l'équipe pour les nanodiamants était un matériau riche en carbone, semblable au charbon de bois, a déclaré Pauzauskie - que les chercheurs ont transformé en un poids léger, matrice poreuse appelée aérogel. Ils ont ensuite dopé l'aérogel de carbone avec une molécule contenant du silicium appelée orthosilicate de tétraéthyle, qui a été chimiquement intégré dans l'aérogel de carbone. Les chercheurs ont scellé les réactifs dans le joint d'une cellule à enclume de diamant, ce qui pourrait générer des pressions aussi élevées que 15 gigapascals à l'intérieur du joint. Pour référence, 1 gigapascal équivaut à environ 10, 000 atmosphères de pression, ou 10 fois la pression dans la partie la plus profonde de l'océan.
Le chercheur postdoctoral de l'Université de Washington, Matthew Crane, utilise un équipement qui utilise un laser pour chauffer le joint d'une cellule à enclume de diamant haute pression au-dessus de 3, 100F, plus du tiers de la température du soleil. Crédit :Mark Stone/Université de Washington
Pour éviter que l'aérogel ne soit écrasé à des pressions aussi extrêmes, ils ont utilisé de l'argon, qui devient solide à 1,8 gigapascals, comme moyen de pression. Après avoir chargé le matériau à haute pression, les chercheurs ont utilisé un laser pour chauffer la cellule au-dessus de 3, 100F, plus du tiers de la température de surface du soleil. En collaboration avec E. James Davis, un professeur émérite de l'UW en génie chimique, ils ont vu qu'à ces températures l'argon solide fond pour former un fluide supercritique.
Grâce à ce processus, l'aérogel de carbone a été converti en nanodiamants contenant des défauts ponctuels luminescents formés à partir des molécules de dopant à base de silicium. Les nanodiamants ont émis une lumière rouge foncé à une longueur d'onde d'environ 740 nanomètres, utile en imagerie médicale. Les nanodiamants dopés avec d'autres éléments pourraient émettre d'autres couleurs.
"Nous pouvons lancer une fléchette sur le tableau périodique et, tant que l'élément que nous touchons est soluble dans le diamant, nous pourrions l'incorporer délibérément dans le nanodiamant en utilisant cette méthode, " a déclaré Pauzauskie. " Vous pourriez faire un large spectre de nanodiamants qui émettent différentes couleurs à des fins d'imagerie. Nous pouvons également utiliser cette approche de dopage moléculaire pour créer des défauts ponctuels plus complexes avec deux ou plusieurs atomes de dopant différents, y compris des défauts complètement nouveaux qui n'ont pas été créés auparavant."
Étonnamment, les chercheurs ont découvert que leurs nanodiamants contenaient également deux autres éléments qu'ils n'avaient pas l'intention d'introduire :l'argon utilisé comme moyen de pression et l'azote de l'air. Tout comme le silicium que les chercheurs avaient l'intention d'introduire, les atomes d'azote et d'argon avaient été entièrement incorporés dans la structure cristalline du nanodiamant.
C'est la première fois que des scientifiques utilisent des températures élevées, assemblage haute pression pour introduire un élément de gaz noble, l'argon, dans une structure en réseau de nanodiamants. Il n'est pas facile de forcer des atomes non réactifs à s'associer à d'autres matériaux dans un composé.
"C'était un heureux hasard, une surprise totale, ", a déclaré Pauzauskie. "Mais le fait que l'argon ait été incorporé dans les nanodiamants signifie que cette méthode est potentiellement utile pour créer d'autres défauts ponctuels susceptibles d'être utilisés dans la recherche en sciences de l'information quantique."
Les chercheurs espèrent à côté de doper intentionnellement les nanodiamants avec du xénon, un autre gaz noble, pour une utilisation possible dans des domaines tels que les communications quantiques et la détection quantique.
Finalement, la méthode de l'équipe pourrait également aider à résoudre un mystère cosmique :des nanodiamants ont été trouvés dans l'espace, et quelque chose là-bas, comme les supernovae ou les collisions à haute énergie, les dope avec des gaz rares. Bien que les méthodes développées par Pauzauskie et son équipe servent à doper les nanodiamants ici sur Terre, leurs découvertes pourraient aider les scientifiques à découvrir quels types d'événements extraterrestres déclenchent le dopage cosmique loin de chez eux.
