納米鑽石的新合成方法：有助於量子與醫學研究！

導讀

據美國華盛頓大學官網近日報道，該校與海軍研究實驗室以及太平洋西北國家實驗室的研究人員宣布了一種新的合成方法，它能將硅、氬、氮元素摻雜到納米金剛石中，創造出發光點缺陷，使之可應用於醫學研究、量子計算、量子通信、量子成像等領域。

背景

鑽石，可謂家喻戶曉，以極度純凈著稱，象徵著愛情與忠貞。在珠寶首飾商店裡，我們可以看到各種鑽戒和鑽石項鏈。

（圖片來源：維基百科）

鑽石的原身是金剛石。金剛石是一種碳元素單質晶體。它是自然界中天然存在的最堅硬的物質，同時也有著很強的色散特性，可以將白光分散成五顏六色的光。

在金剛石晶體中，碳原子按四面體成鍵方式互相連接，組成無限的三維骨架，是典型的原子晶體。與其同素異形體「石墨」相比，金剛石在內部碳原子排列方式與外表物理特徵上都存在巨大差異。

（圖片來源：維基百科）

然而，讓科學家們感到興奮的，並不是成為裝飾珠寶的那種鑽石，而是比人類髮絲寬度更細的微觀品種，也稱為「納米鑽石」或「納米金剛石」。它幾乎完全由碳組成。但是，研究人員將其他元素（例如硅和氮）摻入到納米金剛石的晶格中（這種方法稱為「摻雜」），就會製造出「空位發光中心」，也就是所謂的「發光點缺陷」。含有這種缺陷的金剛石可廣泛應用於醫學研究、量子計算、量子通信、量子成像等領域。

（圖片來源：Nathalie de Leon 實驗室）

空位發光中心，可成為一種強大的量子位，因為其中的電子「自旋」會具有疊加態。這些電子可用於存儲量子信息，也可用於激發單光子。空位發光中心發出的單光子可保持量子位的疊加態，作為量子互聯網長距離通信的信息載體。

（圖片來源：Christoph Hohmann / 慕尼黑納米系統研究）

創新

在一篇於5月3日發表在《科學進展（Science Advances）》期刊上的論文中，美國華盛頓大學、海軍研究實驗室以及太平洋西北國家實驗室的研究人員宣布，他們可以採用極高的壓力與溫度摻雜納米金剛石。團隊採用這個方法將硅摻雜到納米金剛石中，使金剛石可發出深紅色的光。這一特性使得這些金剛石對於細胞和組織成像來說非常有用。

（圖片來源：Mark Stone/華盛頓大學）

團隊發現，他們的方法也可以將氬摻雜到納米金剛石中。氬氣是一種與氣球中的氦氣相似的惰性氣體。 納米金剛石與這些元素摻雜，可應用於量子信息科學。量子信息科學是一個迅速擴大的領域，包括量子通信與量子計算。

華盛頓大學材料科學與工程系副教授、太平洋西北國家實驗室的研究員、論文通信作者 Peter Pauzauskie 表示：「這種方法使我們通過仔細選擇合成期間採用的分子啟動材料，故意將其他元素摻雜到金剛石納米晶體中。」

技術

摻雜納米金剛石還有其他方法，例如離子注入。但是，這個工藝往往會破壞晶體結構，而且摻入的元素被隨意放置，從而限制了性能與應用。在這裡，研究人員決定不在納米金剛石合成之後進行摻雜。取而代之的是，他們摻雜分子成分，來創造具有他們想摻入的元素的納米金剛石，然後再採用高溫與高壓來合成含有這些元素的納米金剛石。

基本上來說，這就像做蛋糕：將糖先添加到麵糊中，比在烘焙之後再將糖添加到蛋糕中，要容易得多，效率也更高。

團隊打造納米金剛石的起點是一種富含碳的材料（Pauzauskie 稱它類似於木炭）。研究人員將這種材料製作成一種稱為「氣凝膠」的輕量、多孔基體。然後，他們在碳氣凝膠中摻入了稱為「正硅酸乙酯」的含硅分子，該分子通過化學方式集成到碳氣凝膠中。研究人員將反應物密封在金剛石對頂砧墊圈中，這樣會在墊圈內產生高達15吉帕的壓力。作為參考，1吉帕差不多是1萬個大氣壓，或者海洋最深處壓力的10倍。

下圖為金剛石對頂砧墊圈的側視圖。它被用於在靠近對頂砧中間的兩個合成金剛石之間生成超過15吉帕的壓力。

（圖片來源：Mark Stone/華盛頓大學）

為了防止在如此極端的壓力下氣凝膠被壓壞，他們採用了氬氣。氬氣在1.8吉帕斯卡的壓力下變成固體，成為一種壓力介質。在將材料放置到高壓環境中之後，研究人員採用激光加熱對頂砧達3100華氏度以上，超過太陽表面溫度的三分之一。他們與華盛頓大學化學工程系榮譽教授 E. James Davis 的合作中發現，在這樣的溫度下，固態氬融化形成超臨界流體。

下圖所示：華盛頓大學研究員 Abbie Ganas 與 Matthew Crane 操作設備，採用激光將金剛石對頂砧墊圈的溫度加熱至3100華氏度以上，超過太陽表面溫度的三分之一。

（圖片來源：Mark Stone/華盛頓大學）

通過這個工藝，碳氣凝膠被轉化為含有發光點缺陷的納米金剛石，這些發光點缺陷由硅基摻雜物分子形成。納米金剛石發出深紅色光線，其波長約為740納米，這在醫學成像中非常有用。摻雜其他元素的納米金剛石會發出其他顏色的光線。

價值

Pauzauskie 表示：「我們向元素周期表上扔飛鏢，只要我們擊中的元素溶於金剛石，我們就可以採用這種方法將這種元素摻雜到金剛石中。你可以製造出寬光譜納米金剛石，它可以根據不同的成像用途，發出不同顏色的光線。我們也可以採用分子摻雜法，以兩種或者更多的不同摻雜原子，製造出更加複雜的點缺陷，包括之前從未創造出來的新缺陷。」

令人吃驚的是，研究人員發現，他們的納米金剛石也含有其他兩種他們並未打算摻入的元素，即作為壓力介質的氬和來自空氣的氮。就像研究人員想要摻入的硅一樣，氮與氬已經完全融入到納米金剛石的晶體結構中。

這標誌著，科學家們首次採用高溫、高壓組裝技術，將惰性氣體元素（氬）摻雜到納米金剛石的晶格結構中。將惰性原子與化合物中的其他材料結合，並不容易。

Pauzauskie 表示：「這是一個意外的收穫，徹底出乎我們的意料。但是，將氬融合到納米金剛石中的事實表明，這個方法有望用於創造其他的點缺陷，這些點缺陷有望應用於量子信息科學研究。」

下一步，研究人員希望故意地在納米金剛石中摻入氙氣（另外一種惰性氣體），從而有可能應用於量子通信和量子感測等領域。

最終，團隊的方法也將有助於解開一個宇宙之謎：納米金剛石已經在外太空被發現，而外太空的某些物質（例如超新星或高能碰撞），會在納米金剛石中摻入惰性氣體。儘管 Pauzauskie 及其團隊開發的方法是用於在地球上摻雜納米金剛石，但是他們的發現將幫助科學家們了解哪些外星事件觸發了遠離我們家園的宇宙摻雜。

關鍵字

金剛石、納米、量子、成像

參考資料

【1】http://www.washington.edu/news/2019/05/03/nanodiamond-synthesis-pauzauskie/

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