北德克薩斯大學(xué)的研究人員開發(fā)了一種在不使用炸藥的情況下種植超均勻納米金剛石的方法。

       小到幾納米的微小寶石對(duì)于將藥物輸送到正確的地方，以生產(chǎn)量子計(jì)算機(jī)的傳感器和處理器至關(guān)重要。因此，確保其恒定大小對(duì)于這些技術(shù)的成功至關(guān)重要。

       “令人驚訝的是，雖然從化學(xué)角度來看，鉆石非常簡(jiǎn)單 - 它由單一元素碳組成 - 但在納米尺度上制造這種材料非常困難，”該項(xiàng)目的首席研究員Hao Yan在一份媒體聲明中說。

       當(dāng)該元素的原子在高壓和高溫條件下獲得剛性三維立方體結(jié)構(gòu)時(shí)，碳變成金剛石。研究人員此前曾在實(shí)驗(yàn)室中通過在氣密不銹鋼容器中引爆炸藥（如TNT）來制造納米金剛石。

       爆炸將炸藥的碳變成微小的鉆石顆粒。然而，這種粗糙的方法難以控制，并且形成的晶體大小不均勻，這需要額外的步驟來對(duì)它們進(jìn)行分類以用于不同的技術(shù)。

       為了開發(fā)一種更準(zhǔn)確的納米金剛石生產(chǎn)方法，Yan的團(tuán)隊(duì)研究了大自然使用的化學(xué)物質(zhì)和過程。

       “我們意識(shí)到，在地幔中形成鉆石的地方含有大量的鐵和鐵碳化合物，包括碳化物和碳酸鹽，”這位科學(xué)家說?！爱?dāng)碳化鐵與地殼和上地幔之間的氧化鐵發(fā)生反應(yīng)時(shí)，鉆石就會(huì)生長(zhǎng)。

       有了這些知識(shí)，Yan實(shí)驗(yàn)室的研究生Tengteng Lyu開發(fā)了一種模擬行星表面下巖石圈環(huán)境的化學(xué)過程。

       首先，Lü 創(chuàng)造了與鉆石碳源大小相同的碳化鐵納米顆粒。微小的顆粒散布在整個(gè)氧化鐵基質(zhì)中，類似于碳化鐵是餅干面團(tuán)中的巧克力片。

       然后，Lü 將來自碳前體的“面團(tuán)”放置在高壓、高溫環(huán)境中，類似于天然鉆石形成的地方?；衔锇l(fā)生反應(yīng)，形成非常均勻的納米金剛石。這種新方法使得獲得寬度達(dá)2nm的晶體成為可能，它們之間的差異小于一納米。Yan說，這比任何人在沒有合成后額外處理或純化步驟的情況下都可以做的任何事情都要好一個(gè)數(shù)量級(jí)。

       根據(jù)Yan的說法，創(chuàng)造均勻，完美的納米金剛石是一個(gè)巨大的成功，但是當(dāng)這些材料存在缺陷時(shí)，例如鉆石結(jié)構(gòu)中的空白空間以及用氮，硅，鎳或其他元素的原子替換相鄰的碳原子時(shí)，這些材料可能更有用。

       因?yàn)榉翘荚訒?huì)稍微污染材料，所以它們被稱為“色心”。只有一個(gè)顏色中心的納米粒子是非?？扇〉?，因?yàn)樗鼈兛梢园踩貙⑿畔⒋鎯?chǔ)在量子計(jì)算機(jī)和電信設(shè)備中。

       為了轟擊鉆石并將這些元素結(jié)合到晶體的結(jié)構(gòu)中，傳統(tǒng)上使用高能原子束，如氮或硅。然而，這種方法無法控制向單個(gè)鉆石添加多少個(gè)顏色中心，并且需要一個(gè)后處理步驟才能生產(chǎn)出具有單原子缺陷的晶體。此外，當(dāng)鉆石的直徑減小到2-3納米時(shí)，這是Yan的團(tuán)隊(duì)現(xiàn)在可以穩(wěn)定獲得的一系列尺寸，這種使用原子束的方法在能量上變得無利可圖。

       但Yan認(rèn)為，通過他們的新方法，他們將能夠找到一種方法來替代碳前體“測(cè)試”中存在的數(shù)千個(gè)碳中的一個(gè)碳。根據(jù)他的估計(jì)，他們現(xiàn)在可以使用一個(gè)實(shí)驗(yàn)合成過程為幾千臺(tái)量子計(jì)算機(jī)生產(chǎn)足夠的納米金剛石，其單色中心。