Cultivo de diamantes extremadamente pequeños y de tamaño uniforme, sin explosivos

Forma precisa de fabricar nanodiamantes

25.03.2022 - Estados Unidos

Los diamantes no son sólo gemas brillantes para la joyería. Los más pequeños, de sólo unos pocos nanómetros de ancho, también son cruciales para la administración de fármacos, los sensores y los procesadores de ordenadores cuánticos. Producir nanopartículas de diamante de tamaño uniforme es importante para el éxito de estas tecnologías. Ahora, los científicos informan de un método para cultivar nanodiamantes ultra-uniformes sin necesidad de explosivos. La técnica también podría utilizarse para añadir defectos monoatómicos beneficiosos en cristales que de otro modo serían perfectos.

Los investigadores presentarán sus resultados en la reunión de primavera de la American Chemical Society (ACS). ACS Spring 2022 es una reunión híbrida que se celebra virtualmente y en persona del 20 al 24 de marzo, con acceso a la carta disponible del 21 de marzo al 8 de abril. La reunión cuenta con más de 12.000 presentaciones sobre una amplia gama de temas científicos.

"Es fascinante que, aunque el diamante es químicamente bastante sencillo -es un elemento, el carbono-, fabricar este material a escala nanométrica es extremadamente difícil", afirma el doctor Hao Yan, investigador principal del proyecto.

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El carbono se convierte en diamante cuando los átomos de este elemento se organizan en un patrón cúbico 3D rígido en condiciones de alta presión y alta temperatura. Los investigadores han creado anteriormente nanodiamantes en el laboratorio detonando un explosivo, como el trinitrotolueno (conocido como TNT), en un recipiente de acero inoxidable sellado. La explosión convierte el carbono del material explosivo en diminutas partículas de diamante. Sin embargo, este método rudimentario es difícil de controlar, explica Yan. Los cristales que se forman son de tamaño desigual, lo que requiere pasos adicionales para clasificarlos para las distintas tecnologías.

Para idear una forma más precisa de fabricar nanodiamantes, el grupo de Yan en la Universidad del Norte de Texas estudió la química que utiliza la naturaleza. "Nos dimos cuenta de que los lugares donde se forman los diamantes, en el manto terrestre, contienen mucho hierro y compuestos de hierro-carbono, incluyendo carburos y carbonatos", dice Yan. Y cuando el carburo de hierro reacciona con el óxido de hierro entre la corteza y el manto superior, los diamantes crecen.

Con estos conocimientos, Tengteng Lyu, estudiante de posgrado del laboratorio de Yan que presenta su trabajo en la reunión, diseñó un proceso químico para imitar el entorno litosférico que se encuentra bajo la superficie de la Tierra. En primer lugar, Lyu creó nanopartículas de carburo de hierro de tamaño uniforme como fuente de carbono para los diamantes. Las minúsculas partículas se distribuyeron en una matriz de óxido de hierro, como si el carburo de hierro fuera un trozo de chocolate dentro de la masa de galletas.

A continuación, Lyu colocó la "masa" de precursores de carbono en un entorno de alta presión y alta temperatura, similar a las condiciones en las que se forman los diamantes naturales. Los compuestos reaccionaron y se obtuvieron nanodiamantes muy uniformes. El nuevo método produce cristales de hasta 2 nm de ancho con diferencias entre ellos de menos de un nanómetro. Yan afirma que esto es un orden de magnitud mejor de lo que cualquiera puede hacer sin un tratamiento postsintético adicional o pasos de purificación.

Crear nanodiamantes uniformes y perfectos es genial, dice Yan, pero estos materiales pueden ser aún más útiles cuando tienen defectos, como puntos vacíos en la estructura del diamante y la sustitución de átomos de carbono vecinos por nitrógeno, silicio, níquel u otro elemento. Como los átomos que no son de carbono colorean ligeramente el material, se denominan "centros de color". Las nanopartículas con un solo centro de color son muy deseables porque pueden almacenar información de forma segura en ordenadores cuánticos y dispositivos de telecomunicación.

Tradicionalmente, se utiliza un haz de átomos de alta energía, como nitrógeno o silicio, para bombardear el diamante e incrustar estos elementos en la estructura del cristal. Sin embargo, este método no puede controlar cuántos centros de color se añaden a un diamante, por lo que es necesario realizar pasos posteriores para obtener cristales con un defecto de un solo átomo. Además, según el extenso trabajo de modelado computacional de Lyu, cuando los diámetros de los diamantes se reducen a 2 ó 3 nm -el rango de tamaño que el equipo de Yan puede hacer ahora de forma consistente- este enfoque de haz de átomos se vuelve energéticamente desfavorable. Pero con su nuevo método, Yan cree que podrían diseñar una forma de sustituir un carbono de los miles presentes en su "masa" de precursores de carbono. Calcula que ahora podrían fabricar suficientes nanodiamantes de centro monocolor para un par de miles de ordenadores cuánticos con un solo experimento de síntesis, aunque los diminutos cristales tendrían que disponerse adecuadamente antes de poder realizar los cálculos.

"Ahora disponemos de una plataforma ideal para idear una forma de fabricar nanodiamantes de un solo color, lo que supone un gran avance para una serie de tecnologías relacionadas con el diamante. Pero también, en un sentido más amplio, sería una demostración fascinante de cómo se puede controlar un solo átomo en una estructura mucho mayor", dice Yan.

Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.

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