科学家们对钻石很感兴趣——不是用来装饰珠宝的那种，而是比人类头发还细的微小种类。这些所谓的“纳米钻石”几乎完全由碳构成。但是，通过将其他元素引入纳米金刚石的晶格(一种被称为“掺杂”的方法)，研究人员可以得到在医学研究、计算等领域有用的特征。在2019年5月3日发表于《科学进展》(Science Advances)上的一篇论文中，华盛顿大学(University of Washington)、美国海军研究实验室(U.S. Naval Research Laboratory)和太平洋西北国家实验室(Pacific Northwest National Laboratory)的研究人员宣布：他们可以利用极高的压力和温度来掺杂纳米金刚石。
研究小组用这种方法将纳米金刚石与硅结合，使金刚石发出深红色的光，这一特性将使它们对细胞和组织成像有用。研究小组发现，该方法还可以将纳米金刚石与氩掺杂在一起。氩是一种稀有气体，是一种与气球中的氦有关的非反应性元素。掺杂这种元素的纳米金刚石可以应用于量子信息科学——一个迅速扩展的领域，包括量子通信和量子计算。华盛顿大学材料科学与工程副教授、太平洋西北国家实验室研究员Peter Pauzauskie说：该方法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。
钻石砧细胞的侧视图，用于在靠近细胞中心的两个人造钻石之间产生超过15吉帕压力。图片：Mark Stone/University of Washington
掺杂纳米金刚石的方法还有离子注入等，但这一过程往往破坏晶体结构，引入的元素被随意放置，限制了性能和应用。在这里，研究人员决定在纳米金刚石合成后不进行掺杂。相反在分子成分中掺杂他们想要引入的元素来制造纳米金刚石，然后使用高温和高压来合成含有这些元素的纳米金刚石。从原理上讲，这就像做蛋糕一样：在面糊中添加糖比在烘焙后添加糖要简单得多，也更有效。研究小组研究纳米金刚石的出发点是一种富含碳的材料（类似于木炭，保罗斯基说）研究人员将这种材料纺成一种轻质多孔基质，称为气凝胶。
然后在碳气凝胶中掺杂了一种叫做正硅酸四乙酯的含硅分子，这种分子被化学地整合在碳气凝胶中。研究人员将这些反应物密封在一个金刚石砧细胞的垫圈内，这样可以在垫圈内产生高达15千兆帕的压力。作为参考，1gigapascal大约是10000个大气压，或者是海洋最深处压力的10倍。为了防止气凝胶在如此极端的压力下被压碎，使用氩气作为压力介质。在将材料加载到高压下后，研究人员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。
在与华盛顿大学化学工程荣誉退休教授e·詹姆斯·戴维斯(E. James Davis)的合作中发现：在这种温度下，固态氩熔化形成超临界流体。通过这一过程，将碳气凝胶转化为含有硅基掺杂分子形成发光点缺陷的纳米金刚石。纳米金刚石发出的深红光波长约为740纳米，这在医学成像中很有用，掺杂其他元素的纳米金刚石可以发出其他颜色。可以在元素周期表上扔一个飞镖，只要我们击中的元素是溶于钻石的，我们就可以用这种方法把它有意地合成纳米钻石，可以制造出光谱广泛的纳米金刚石，它们可以为成像目的发射不同的颜色。
华盛顿大学博士后研究员Matthew Crane操作的设备使用激光加热高压钻石砧细胞垫圈，使其温度超过3100华氏度，超过太阳表明温度的三分之一。图片：Mark Stone/University of Washington
也可以利用这种分子掺杂方法，用两个或两个以上不同的掺杂原子制造出更复杂的点缺陷，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金刚石还含有另外两种他们不打算引入的元素——用作压力介质的氩和来自空气中的氮。就像研究人员打算引入的硅一样，氮原子和氩原子已经完全融入到纳米金刚石的晶体结构中。这标志着科学家首次使用高温高压组装技术将稀有气体元素氩引入纳米金刚石晶格结构。要迫使无反应的原子与化合物中的其他物质结合是不容易的。
这是一个意外，一个完全的惊喜，但氩被纳入纳米金刚石的事实意味着，这种方法有可能用于制造其他点缺陷，这些点缺陷有可能用于量子信息科学研究。研究人员希望在纳米金刚石的旁边故意掺杂另一种稀有气体氙，以便在量子通信和量子传感等领域得到应用。研究小组的方法还可以帮助解决一个宇宙之谜：在外层空间发现了纳米金刚石，而外层空间的某些物质（如超新星或高能碰撞）会向它们注入惰性气体。尽管保罗斯基和团队开发的方法是在地球上掺杂纳米金刚石，但其发现可以帮助科学家了解哪些类型的外星事件触发了远离地球的宇宙掺杂。
博科园｜研究/来自: 华盛顿大学
参考期刊《科学进展》
DOI: 10.1126/sciadv.aau6073
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