Investigadores de la Universidad del Norte de Texas han desarrollado un método para cultivar nanodiamantes ultrauniformes sin necesidad de explosivos.
Estas diminutas gemas, de sólo unos pocos nanómetros de ancho, son cruciales para la administración de fármacos, los sensores y los procesadores de ordenadores cuánticos. Por ello, conseguir que tengan un tamaño uniforme es importante para el éxito de estas tecnologías.
«Es fascinante que, aunque un diamante es químicamente bastante simple -es un elemento, el carbono-, fabricar este material a escala nanométrica es extremadamente difícil», dijo Hao Yan, investigador principal del proyecto, en una declaración a los medios.
El carbono se convierte en diamante cuando los átomos de este elemento se organizan en un patrón cúbico 3D rígido en condiciones de alta presión y alta temperatura. Los investigadores han creado anteriormente nanodiamantes en el laboratorio detonando explosivos como el TNT en un contenedor de acero inoxidable sellado.
La explosión convierte el carbono del material explosivo en diminutas partículas de diamante. Sin embargo, este método rudimentario es difícil de controlar y los cristales que se forman son de tamaño desigual, lo que requiere pasos adicionales para clasificarlos para diferentes tecnologías.
Para idear una forma más precisa de fabricar nanodiamantes, el grupo de Yan estudió la química que utiliza la naturaleza.
«Nos dimos cuenta de que los lugares donde se forman los diamantes, en el manto terrestre, contienen mucho hierro y compuestos de hierro-carbono, incluidos los carburos y los carbonatos», explicó el científico. «Y cuando el carburo de hierro reacciona con el óxido de hierro entre la corteza y el manto superior, crecen los diamantes».
Armado con este conocimiento, Tengteng Lyu, estudiante de posgrado en el laboratorio de Yan, diseñó un proceso químico para imitar el entorno litosférico que se encuentra bajo la superficie del planeta.
En primer lugar, Lyu creó nanopartículas de carburo de hierro de tamaño uniforme como fuente de carbono para los diamantes. Las minúsculas partículas se distribuyeron en una matriz de óxido de hierro, como si el carburo de hierro fuera un trozo de chocolate dentro de la masa de galletas.
A continuación, Lyu colocó la «masa» de precursores de carbono en un entorno de alta presión y alta temperatura, similar a las condiciones en las que se forman los diamantes naturales. Los compuestos reaccionaron y se obtuvieron nanodiamantes muy uniformes. El nuevo método produce cristales de hasta 2 nm de ancho con diferencias entre ellos de menos de un nanómetro. Yan dice que esto es un orden de magnitud mejor de lo que cualquiera puede hacer sin tratamiento postsintético adicional o pasos de purificación.
Más allá de la perfección
Según Yan, crear nanodiamantes uniformes y perfectos es estupendo, pero estos materiales pueden ser aún más útiles cuando presentan defectos, como puntos vacíos en la estructura del diamante y la sustitución de átomos de carbono vecinos por nitrógeno, silicio, níquel u otro elemento.
Como los átomos que no son de carbono colorean ligeramente el material, se denominan «centros de color». Las nanopartículas con un solo centro de color son muy deseables porque pueden almacenar información de forma segura en ordenadores cuánticos y dispositivos de telecomunicación.
Tradicionalmente, se utiliza un haz de átomos de alta energía, como nitrógeno o silicio, para bombardear el diamante e incrustar estos elementos en la estructura del cristal. Sin embargo, este método no puede controlar cuántos centros de color se añaden a un diamante, por lo que es necesario realizar pasos posteriores para obtener cristales con un defecto de un solo átomo. Además, cuando los diámetros de los diamantes se reducen a 2-3 nm -el rango de tamaño que el equipo de Yan puede fabricar ahora de forma consistente- este enfoque de haz de átomos se vuelve energéticamente desfavorable.
Pero con su nuevo método, Yan cree que podrían diseñar una forma de sustituir un carbono de los miles presentes en su «masa» de precursores de carbono. Calcula que ahora podrían fabricar suficientes nanodiamantes centrales de un solo color para un par de miles de ordenadores cuánticos con un solo experimento de síntesis.