Save 20% On a Jenway 7315 Spectrophotometer from Bibby Scientific

There are 2 related live offers.

Save 25% on magneTherm | 20% Off Jenway Spectrophotometer | See All
Related Offers

De Revolutie van de Diamant: De Toepassingen van de groot-tijd voor Werkelijk Kleine Diamanten

door Prof. James Rabeau

Verwante Professor James Rabeau, de Leider van de Groep, QuantumMaterialen en Toepassingen (QMApp); De Australische Toekomstige Kameraad van de Raad Voor Onderzoek, Afdeling van Fysica, Universiteit Macquarie
Overeenkomstige auteur: jrabeau@science.mq.edu.au

De Diamant is goed - gekend voor zijn extreme eigenschappen, met inbegrip van hardheid, chemische en biologische traagheid, hoge temperatuur Debye, hoog warmtegeleidingsvermogen en gemak van bio-functionalisation om enkelen te noemen.

In De Loop Van de laatste 10 jaar, heeft de diamant als technologisch materiaal een vernieuwde en stijgende mate van belangstelling met echt potentieel gezien. Een zeer belangrijk vereiste zal om enkele recentste potentiële toepassingen voor diamant toe te laten zich zwaar op de capaciteit baseren om de vervaardiging te controleren en te maken, en het gedrag van nanoscalediamant (sommige minder dan 5 NM in diameter) te begrijpen.

Om de taak uitdagend te maken, en wetenschappelijk interesserend, is het niet het diamantkristal zelf dat van primair die belang is, maar eerder de „tekorten“ in de gastheer van het diamantkristal worden opgenomen. Er is een enorm lichaam van literatuur beschikbaar op de integratie en de manifestatie van onzuiverheden in diamant1, en hiervan, wordt een groot aantal bedoeld als „kleurencentra“ waardoor zij absorberen of licht uitzenden.

Door van de de overzichtsmicroscopie en spectroscopie technieken voor gelijktijdige ondervraging van nanoscalevoorwerpen te integreren, hebben wij nu de hulpmiddelen ter beschikking om hoogtepunt toe te laten - schaalkarakterisering van de optische eigenschappen van materialen met dramatisch verminderde dimensionaliteit. Gekoppeld aan theoretische modellering van nanoparticles, en een waaier van de mogelijkheden van de materialenverwerking is het mogelijk om het gedrag van nanoscaledeeltjes te voorspellen te wijzigen en te meten, namelijk nanodiamonds.

Een verscheidenheid van onzuiverheden in diamant tonen belofte, met inbegrip van verwante stikstof, nikkel, chromium en silicium. De nadruk is hier op het stikstof-vacature kleurencentrum (NV) in Figuur 1 pictorially wordt getoond die. Het centrum NV bestaat uit een substitutional stikstofatoom naast een koolstofvacature in het diamantrooster. Het is foto-stabiel bij ruimte-temperatuur en heeft een hoge optische dwarsdoorsnede en een quantumopbrengst die zo de opsporing van fotonen van één enkele onzuiverheid toelaten2.

Figuur 1. Het stikstof-vacature (NV) centrum in diamant die uit n-Atoom en rooster een vacature in C3v symmetrie bestaan. Dit „optisch actieve“ kleurencentrum absorbeert licht uv-Vis, en zendt in het gebied vis-NIR van het elektromagnetische spectrum uit. Het heeft dichtbij eenheid quantumefficiency en is de ideale bouwsteen voor een waaier van quantum en biologische technologieën.

Er zijn drie brede gebieden waarin de kleurencentra in nanodiamond een nieuwe en significante rol spelen: Biomedische weergave, Nanometrology en Quantumtechnologieën. Het de Quantum Materialen onderzoeksteam en van Toepassingen (QMApp) bij Universiteit Macquarie hebben projecten binnen elk van deze die ondertitel door een sterke materialenvervaardiging wordt ondersteund en de karakteriseringsbackbone die ingebouwd verstrekt koppelt om nanodiamonds voor specifieke toepassingen te optimaliseren terug.

Het Meten van voorwerpen op een schaal onder conventionele grenzen (b.v. beperkt door diffractie van licht, de fysieke afmetingen van een sonde of de voorwaarde van de steekproef) is van kritiek belang aan het begrip van de structuur en de functie van alle biologische processen. Zoals hieronder beschreven, nanodiamond houdt een plaats op dit gebied om twee redenen: het fluoresceert helder en zijn optisch signaal is vatbaar voor magnetisch veldschommelingen.

Diamant Biolabels

Is de biologische processen die van de Weergave fluorescente biolabels, in bijlage bijvoorbeeld aan een molecule die van belang gebruiken binnen een netwerk van cellen reizen, een reeds lang gevestigde technologie, echter, om een verscheidenheid van redenen, heeft de techniek zijn volledig potentieel niet bereikt. Conventionele fluorophores knipperen vaak aan en uit tijdens het weergaveproces, of anders bleekmiddel onherroepelijk waarbij een grens wordt geplaatst op de tijd en de frequentie waarin fluorophore kan worden waargenomen.

Voorts maakt de giftigheid van bepaalde fluorophores levend-celweergave onmogelijk. Nanodiamonds is gezien als een veelbelovend alternatief voor bepaalde toepassingen. Hoewel bestaand wat fluorophores aan nanodiamond voor bepaalde implementaties superieur zijn, schijnt het duidelijk dat nanodiamonds een gebied in bio-weergave zal vullen, waar photostability op lange termijn, de weerstand tegen het knipperen of het bleken en de niet-cytotoxiciteit worden vereist.

Enorme vooruitgang is geboekt wereldwijd in zich het ontwikkelen nanodiamonds als fluorescente biolabels, en er is echte belofte3 . Één zeer belangrijke uitdaging nochtans is genoeg optisch actieve tekorten in een diamant in te pakken die klein genoeg is zich om niet om in biologische processen te mengen. Het blijkt deze stap niet zo ongecompliceerd is.

Onder een waaier van vervaardigingsvoorwaarden, is het essentieel om de „helderheid“ als functie van deeltjesgrootte te bepalen en ideaal gezien een vooruitlopend kader te ontwikkelen om heldere lichtende nanodiamonds van bepaalde grootte te maken4. Om neer aan het ideale regime onder 5 NM te worden, heeft de aandacht aan een materiële geroepen „ontploffing nanodiamond“ gedraaid, die een zeer smalle gecentreerde groottedistributie rond 4 NM heeft.

Figuur 2. Een confocal fluorescentiekaart van centra NV in (verlaten) diamantnanocrystals en de overeenkomstige atoomkaart van de krachtmicroscopie van de profielen van het diamantkristal. Deze gecombineerde die metingstechniek aan theoretische modellering wordt gekoppeld laat nu de voorspelling van de stabiliteit van centra NV in een waaier van nanodiamondgrootte4toe.

Een aanzienlijke hoeveelheid werk aangaande bio-functionalisation is5 reeds gedaan, en nu tonen de fluorescentiemetingen aan dat NV in deze diamanten kan worden ontdekt6. Het doel momenteel is het materiaal voor een hoge concentratie van NV te optimaliseren.

Magnetometry van de Diamant

Het Ontdekken van zwakke magnetisch velden door het magneetveld te exploiteren de gevoelige optische overgang van NV centra kleurt is de het opwekken nieuwe weg voor nanodiamond gebaseerde weergave, en zal potentieel weergavegevoeligheid op het niveau van enige kernrotaties toelaten. Simplistisch, wordt de meting gemaakt door magnetische resonantietechnieken aan fluorescentiemetingen te koppelen om de verandering van een lokaal magnetisch veld dichtbij een centrum te ontdekken NV.

Praktisch, impliceert het concept het aftasten van een nanodiamond over magnetisch velden (b.v. magnetische domeinen of nanomagnets) en controleert de verandering in optisch signaal als functie van positie. Het Verzamelen van het aangewezen signaal zou dan een magnetisch veldbeeld van de steekproefoppervlakte opbrengen. Nanodiamond „sonde“ kan uit een nanodiamond bestaan in bijlage aan een atoomuiteinde van de krachtmicroscoop (zie Figuur 3).

Figuur 3. De kaart van de Fluorescentie van nanodiamonds aan het uiteinde van een atoom de cantileveruiteinde dat van de krachtmicroscopie wordt gelijmd. In de juiste omstandigheden, zal het mogelijk zijn om het uiteinde over een oppervlakte met magnetische domeinen, magnetische nano-etiketten af te tasten of zelfs elektron of kernrotaties uit te kiezen en de positie en de sterkte van de gebieden in kaart te brengen.

De haalbaarheid en het potentieel van deze techniek werden om gevoeligheid op het niveau van enig elektron en kernrotaties toe te laten onlangs gemeld7. Deze bereidende experimenten benadrukten bijgevolg de praktische die beperkingen door de grootte en de kwaliteit van beschikbare diamanten worden opgelegd. De gevoeligheid van deze techniek wordt grotendeels beperkt namelijk door de scheiding tussen het centrum NV en de steekproef, en daarom door de grootte van de kristalgastheer gedicteerd. Deze resultaten verstrekken significante motivatie om een dieper en uitvoerig inzicht in het gedrag van centra NV in nanoscalediamanten na te streven4.

De QuantumTechnologieën van de Diamant

In quantumberekening of mededeling, wordt de belangrijkste bouwsteen genoemd een quantumbit, of qubit. Qubits bestaat uit één enkel 2 niveau quantumsysteem waarin de waarde 0, of 1 of een superposition tussen twee kan zijn. Het volstaat in de context van dit korte artikel om deze vereenvoudigde verklaring te begrijpen. De subniveaus van de elektronenrotatie in de grondstaat van het centrum NV in diamant gedraagt zich als een ideaal 2 niveausysteem; de rotatiestaat (of qubit de waarde) kan 0, 1 of een combinatie twee zijn. Voorts kan de staat van de rotatie „“ worden voorgelezen gebruikend magnetische resonantie en optische signalen zoals hierboven beschreven. Het centrum NV in diamant is zo een modelsysteem in vaste toestand waarop om een quantuminformatieverwerkingstechnologieën te bouwen8, en er zijn vele groepen die wereldwijd dit achtervolgen.

Nochtans, komt de uitdaging van het uitvoeren van volslagen quantumapparaten in diamant opnieuw op materiële kwaliteit en geavanceerde vervaardigingsstrategieën neer. Het is in principe haalbaar om, bijvoorbeeld, een kleinschalige quantumdiebewerker in diamant uit te voeren, nochtans handhaven de moeilijkheden wegens beperkingen in materiële kwaliteit worden opgelegd dit doel enkel uit bereik.

De Vooruitgang in het ontwikkelen van technieken om kleurencentra in diamant, enige fotonbronnen op te nemen in diamant, zal en gekoppeld qubits in diamant bepalen aan welke graad de op diamant-gebaseerde quantumtechnologieën praktisch worden.


Verwijzingen

1. Zaitsev, A., Optische eigenschappen van diamant: een gegevenshandboek. (Aanzetsteen, Berlijn, 2001).
2. Kurtsiefer, C., Mayer, S., Zarda, P., en Weinfurter, H., Fysieke Brieven van het Overzicht 85 (2), 290 (2000); Brouri, R., Beveratos, A., Poizat, J.P., en Grangier, P., Brieven 25 van de Optica (17), 1294 (2000).
3. Chang, Y. - R. et al., Nationaal Nano 3 (5), 284 (2008).
4. Bradac, C. et al., Nano Brieven (2009).
5. Osawa, E., Zuivere en Toegepaste Chemie 80 (7), 1365 (2008); Krüger, A. et al., Langmuir 24 (8), 4200 (2008).
6. Smith, B.R. et al., Kleine 5 (14), 1649 (2009).
7. Balasubramanian, G. et al., Aard 455 (7213), 648 (2008); Labyrint, J.R. et al., Aard 455 (7213), 644 (2008).
8. Gaebel, T. et al., Fysica van de Aard 2 (6), 408 (2006); Stoneham, A.M., Harker, A.H., en Morley, G.W., Dagboek van fysica-Gecondenseerde Kwestie 21 (36) (2009); Wrachtrup, J. en Jelezko, F., Dagboek van fysica-Gecondenseerde Kwestie 18 (21), S807 (2006).

Copyright AZoNano.com, Professor James Rabeau (Universiteit Macquarie)

Date Added: Mar 4, 2010 | Updated: Jun 11, 2013

Last Update: 14. June 2013 01:16

Tell Us What You Think

Do you have a review, update or anything you would like to add to this article?

Leave your feedback
Submit