华盛顿大学 金刚石砧座的侧视图，用于在靠近砧座中心的两个人造金刚石之间产生15吉帕斯卡以上的压力
学分:马克·斯通/华盛顿大学 科学家们对钻石很感兴趣——不是装饰珠宝的种类，而是比人类头发还细的微小种类
这些所谓的“纳米钻石”几乎完全由碳组成
但是通过在纳米金刚石的晶格中引入其他元素——一种被称为“掺杂”的方法——研究人员可以产生在医学研究、计算和其他领域有用的特征
在5月3日发表在《科学进展》杂志上的一篇论文中，美国华盛顿大学的研究人员
S
海军研究实验室和太平洋西北国家实验室宣布，他们可以使用极高的压力和温度来掺杂纳米钻石
该团队使用这种方法在纳米钻石中掺杂硅，使钻石发出深红色的光——这一特性将使它们对细胞和组织成像有用
研究小组发现，他们的方法还可以在纳米钻石中掺杂氩，氩是一种稀有气体，是一种与气球中发现的氦相关的非反应性元素
掺有这种元素的纳米金刚石可以应用于量子信息科学——一个包括量子通信和量子计算在内的快速发展的领域
“我们的方法允许我们通过仔细选择合成过程中使用的分子起始材料，有意地在金刚石纳米晶体中掺杂其他元素，”相应的作者彼得·波扎斯基说，他是UW材料科学与工程副教授，也是西北太平洋国家实验室的研究员
还有其他方法来掺杂纳米金刚石，例如离子注入，但是这一过程通常会破坏晶体结构，并且引入的元素是随机放置的，这限制了性能和应用
在这里，研究人员决定在纳米钻石合成后不掺杂它们
相反，他们在分子成分中掺杂了他们想要引入的元素来制造纳米钻石，然后利用高温和高压来合成含有这些元素的纳米钻石
原则上，这就像做蛋糕一样:往面糊里加糖要简单得多，也更有效，而不是在烘焙后试图往蛋糕里加糖
研究小组对纳米钻石的研究起点是一种富含碳的材料——类似于木炭，波扎斯基说——研究人员将其旋转成一种轻质、多孔的基质，称为气凝胶
然后，他们在碳气凝胶中掺杂了一种叫做原硅酸四乙酯的含硅分子，这种分子以化学方式整合在碳气凝胶中
研究人员将反应物密封在金刚石砧座的垫圈内，垫圈内可能产生高达15吉帕斯卡的压力
作为参考，1吉帕斯卡大约是10000个大气压，或者说是海洋最深处压力的10倍
华盛顿大学博士后研究员马修·克莱恩操作的设备使用激光将高压金刚石砧座的垫圈加热到3100华氏度，超过太阳温度的三分之一
学分:马克·斯通/华盛顿大学 为了防止气凝胶在如此极端的压力下被压碎，他们使用了氩气，氩气在1
8吉帕斯卡，作为压力介质
在将材料加载到高压下后，研究人员使用激光将电池加热到3100华氏度以上，超过太阳表面温度的三分之一
与E合作
UW化学工程荣誉退休教授詹姆斯·戴维斯发现，在这些温度下，固态氩熔化形成超临界流体
通过这一过程，碳气凝胶被转化成含有发光点缺陷的纳米金刚石，这些发光点缺陷是由硅基掺杂分子形成的
纳米钻石发出波长约为740纳米的深红色光，这在医学成像中很有用
掺杂其他元素的纳米钻石可以发出其他颜色
“我们可以向元素周期表扔飞镖，只要我们击中的元素可溶于钻石，我们就可以用这种方法把它故意掺入纳米钻石中，”波扎斯基说
“你可以制造出各种各样的纳米钻石，它们会发出不同的颜色，用于成像目的
我们也可以使用这种分子掺杂方法，用两种或两种以上不同的掺杂原子来制造更复杂的点缺陷，包括以前从未产生过的全新缺陷
" 令人惊讶的是，研究人员发现他们的纳米钻石还含有另外两种他们不想引入的元素——用作压力介质的氩气和空气中的氮气
就像研究人员打算引入的硅一样，氮和氩原子已经完全融入了纳米金刚石的晶体结构
这标志着科学家首次使用高温高压装置将稀有气体元素氩引入纳米金刚石晶格结构
要强迫化合物中的非反应原子与其他物质结合是不容易的
“这是一个意外，一个完全的惊喜，”波扎斯基说
“但是氩被掺入到纳米金刚石中的事实意味着这种方法有可能用于制造其他可能用于量子信息科学研究的点缺陷
" 研究人员接下来希望有意在纳米钻石中掺入氙气，这是另一种稀有气体，可能用于量子通信和量子传感等领域
最后，该团队的方法也有助于解决一个宇宙之谜:纳米钻石在外层空间被发现，外面的一些东西——如超新星或高能碰撞——使它们掺杂了稀有气体
虽然波扎斯基和他的团队开发的方法是在地球上掺杂纳米钻石，但他们的发现可以帮助科学家了解哪些类型的地外事件会在远离家乡的地方引发宇宙掺杂
来源：由phyica.com整理转载自PH，转载请保留出处和链接！
