p Os nanomateriais têm o potencial de melhorar muitas tecnologias de próxima geração. Eles prometem acelerar os chips de computador, aumentar a resolução de dispositivos de imagens médicas e tornar a eletrônica mais eficiente em termos de energia. Mas incorporar nanomateriais com as propriedades certas pode ser demorado e caro. Um novo, Um método rápido e barato para a construção de nanomateriais híbridos à base de diamante pode em breve lançar o campo adiante. p Pesquisadores da Universidade de Maryland desenvolveram um método para construir nanopartículas híbridas à base de diamante em grandes quantidades a partir do zero, contornando assim muitos dos problemas com os métodos atuais. A técnica é descrita no dia 8 de junho, Edição de 2016 da revista Nature Communications .

p O processo começa com minúsculo, diamantes em nanoescala que contêm um tipo específico de impureza:um único átomo de nitrogênio onde um átomo de carbono deveria estar, com um espaço vazio ao lado dele, resultante da falta de um segundo átomo de carbono. Esta impureza de "vacância de nitrogênio" dá a cada diamante propriedades ópticas e eletromagnéticas especiais.

p Ao anexar outros materiais aos grãos de diamante, como partículas de metal ou materiais semicondutores conhecidos como "pontos quânticos, "os pesquisadores podem criar uma variedade de nanopartículas híbridas personalizáveis, incluindo semicondutores e ímãs em nanoescala com propriedades precisamente adaptadas.

p "Se você emparelhar um desses diamantes com nanopartículas de prata ou ouro, o metal pode aumentar as propriedades ópticas do nanodiamante. Se você acoplar o nanodiamante a um ponto quântico semicondutor, a partícula híbrida pode transferir energia de forma mais eficiente, "disse Min Ouyang, professor associado de física da UMD e autor sênior do estudo.

p As evidências também sugerem que uma única vacância de nitrogênio exibe propriedades físicas quânticas e pode se comportar como um bit quântico, ou qubit, à temperatura ambiente, de acordo com Ouyang. Qubits são as unidades funcionais da ainda evasiva tecnologia de computação quântica, que pode um dia revolucionar a maneira como os humanos armazenam e processam informações. Quase todos os qubits estudados até agora requerem temperaturas ultra-frias para funcionar corretamente.

p Um qubit que funciona à temperatura ambiente representaria um avanço significativo, facilitando a integração de circuitos quânticos na indústria, eletrônicos comerciais e de consumo. Os novos nanomateriais híbridos de diamante descritos em Nature Communications possuem uma promessa significativa para melhorar o desempenho de vacâncias de nitrogênio quando usados ​​como qubits, Ouyang observou.

p Embora esses aplicativos sejam promissores para o futuro, O principal avanço de Ouyang e seus colegas é o método para construir as nanopartículas híbridas. Embora outros pesquisadores tenham pareado nanodiamantes com nanopartículas complementares, tais esforços dependiam de métodos relativamente imprecisos, como a instalação manual de diamantes e partículas lado a lado em uma superfície maior, um por um. Esses métodos são caros, consome muito tempo e apresenta uma série de complicações, dizem os pesquisadores.

p "Nossa principal inovação é que agora podemos produzir de forma confiável e eficiente essas partículas híbridas independentes em grandes números, "explicou Ouyang, que também tem compromissos no UMD Center for Nanophysics and Advanced Materials e no Maryland NanoCenter, com uma cátedra afiliada no Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais da UMD.

p O método desenvolvido por Ouyang e seus colegas, Jianxiao Gong, associado de pesquisa em física da UMD, e o estudante de graduação em física Nathaniel Steinsultz, também permite o controle preciso das propriedades das partículas, como a composição e o número total de partículas que não são de diamante. As nanopartículas híbridas podem acelerar o projeto de qubits em temperatura ambiente para computadores quânticos, tintas mais brilhantes para imagens biomédicas, e sensores magnéticos e de temperatura altamente sensíveis, para citar alguns exemplos.

p "Os materiais híbridos muitas vezes têm propriedades únicas que surgem das interações entre os diferentes componentes do híbrido. Isso é particularmente verdadeiro em materiais nanoestruturados, onde fortes interações mecânicas quânticas podem ocorrer, "disse Matthew Doty, um professor associado de ciência de materiais e engenharia da Universidade de Delaware, que não esteve envolvido no estudo. "O novo método da equipe UMD cria uma oportunidade única para a produção em massa de materiais híbridos sob medida. Espero que esse avanço possibilite uma série de novas abordagens para tecnologias de detecção e diagnóstico."

p As propriedades especiais dos nanodiamantes são determinadas por suas vacâncias de nitrogênio, que causam defeitos na estrutura cristalina do diamante. Os diamantes puros consistem em uma rede ordenada de átomos de carbono e são completamente transparentes. Contudo, diamantes puros são muito raros em depósitos de diamantes naturais; a maioria tem defeitos resultantes de impurezas sem carbono, como nitrogênio, boro e fósforo. Esses defeitos criam as variações de cor sutis e desejáveis ​​vistas em diamantes de gema.

p Os diamantes em nanoescala usados ​​no estudo foram criados artificialmente, e tem pelo menos uma vacância de nitrogênio. Esta impureza resulta em uma estrutura de ligação alterada na rede de carbono de outra forma ordenada. A ligação alterada é a fonte da ótica, propriedades eletromagnéticas e físicas quânticas que tornam os diamantes úteis quando combinados com outros nanomateriais.

p Embora o estudo atual descreva diamantes com substituições de nitrogênio, Ouyang aponta que a técnica também pode ser estendida a outras impurezas de diamante, cada um dos quais poderia abrir novas possibilidades.

p "Um grande ponto forte de nossa técnica é que ela é amplamente útil e pode ser aplicada a uma variedade de tipos de diamantes e combinada com uma variedade de outros nanomateriais, "Ouyang explicou." Também pode ser ampliado com bastante facilidade. Estamos interessados ​​em estudar mais a física básica, mas também indo em direção a aplicações específicas. O potencial de emaranhamento quântico à temperatura ambiente é particularmente excitante e importante. "