I nanodiamanti con il design molecolare
Uno studio su Nature presenta una nuova via per ottenere nanoparticelle di diamante su misura
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I nanodiamanti sono minuscole particelle di diamante delle dimensioni di pochi nanometri. Poiché sono chimicamente molto stabili e possono ospitare i cosiddetti centri di colore, difetti otticamente attivi nel reticolo cristallino, sono considerati materiali promettenti per le tecnologie quantistiche, il rilevamento e la ricerca biomedica. Finora, tuttavia, è stato difficile produrre in modo affidabile nanodiamanti con dimensioni uniformi, elevata purezza e proprietà ottiche integrate con precisione.
Un team di ricerca internazionale guidato dal dottor Yingke Wu e dalla professoressa Tanja Weil dell'Istituto Max Planck per la ricerca sui polimeri ha ora sviluppato una nuova strategia di sintesi: invece di scomporre i diamanti più grandi in particelle più piccole, il team costruisce i nanodiamanti dal basso verso l'alto utilizzando blocchi costruttivi di nanografene definiti a livello molecolare. Sotto alta pressione e ad alte temperature, queste molecole piatte di carbonio vengono convertite direttamente in nanostrutture diamantate e altamente cristalline.
Il vantaggio principale di questo approccio bottom-up risiede nel controllo a livello molecolare. Poiché la struttura, la dimensione e la composizione delle molecole di partenza sono definite con precisione, le proprietà dei nanodiamanti risultanti possono essere controllate in modo molto più efficace rispetto alla fresatura convenzionale o ai metodi top-down. Grazie a questa strategia, il team è riuscito a produrre nanodiamanti particolarmente piccoli e uniformi di circa tre o quattro nanometri.
Un altro aspetto importante è che i centri di colore otticamente attivi possono essere incorporati nel reticolo del diamante direttamente durante la sintesi. Utilizzando opportuni precursori molecolari, è possibile generare emettitori a base di silicio e germanio senza la necessità di un successivo impianto ionico, irradiazione o ulteriore post-trattamento. In questo modo è possibile produrre nanodiamanti fluorescenti con proprietà ottiche personalizzate in un'unica fase di sintesi.
"Riteniamo che questa piattaforma offra una base scalabile per lo sviluppo di sensori quantistici, emettitori fotonici integrati e nanomateriali programmabili a base di diamante", afferma Tanja Weil.
I nuovi nanodiamanti molecolari aprono promettenti opportunità di applicazione nella tecnologia quantistica, ad esempio come sorgenti stabili di fotoni singoli o sensori su scala nanometrica. Sono interessanti anche per la ricerca biologica e medica: a lungo termine, potrebbero servire come robusti reporter ottici per visualizzare i processi nelle cellule o in altri ambienti biologici alle più piccole scale.
I risultati del team internazionale sono stati pubblicati su Nature.
Istituzioni partecipanti
Lo studio ha coinvolto il Sincrotrone Elettronico Tedesco (DESY), l'Università Goethe di Francoforte, l'Università Johannes Gutenberg di Mainz, l'Istituto Leibniz per i Nuovi Materiali, l'Istituto Max Planck per i Colloidi e le Interfacce, l'Istituto Max Planck per la Ricerca sui Polimeri, l'Università di Cambridge, l'Università Saarland, l'Università di Gottinga e l'Università di Ulm.
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