纳米材料有可能改进许多下一代技术。他们承诺加速计算机芯片，提高医疗成像设备的分辨率，并使电子设备更节能。但是，使用合适的属性来填充纳米材料可能非常耗时且成本高昂。一种新的，快速且廉价的构建基于钻石的混合纳米材料的方法可以很快推动该领域的发展。
马里兰大学的研究人员开发出一种从头开始大量构建基于金刚石的混合纳米粒子的方法，从而避免了当前方法的许多问题。该技术在2016年6月8日的Nature Communications杂志上有所描述。
这个过程始于含有特定类型杂质的微小纳米级钻石：一个碳原子应该存在的单个氮原子，旁边有一个空的空间，由第二个缺失的碳原子产生。这种“氮空位”杂质赋予每种金刚石特殊的光学和电磁特性。
通过将其他材料附着到金刚石颗粒上，例如金属颗粒或称为“量子点”的半导体材料，研究人员可以创建各种可定制的混合纳米颗粒，包括纳米级半导体和具有精确定制特性的磁体。
“如果你将这些钻石中的一颗与银或金纳米粒子配对，金属可以增强纳米金刚石的光学性能。如果你将纳米金刚石与半导体量子点结合起来，混合粒子可以更有效地转移能量，”欧阳敏，一位助理说。 UMD物理学教授和该研究的资深作者。
根据欧阳的观点，证据还表明，单个氮空位表现出量子物理特性，并且在室温下可以表现为量子比特或量子比特。Qubits是迄今为止难以捉摸的量子计算技术的功能单元，它有朝一日可能彻底改变人类存储和处理信息的方式。迄今为止研究的几乎所有量子位都需要超低温才能正常工作。
在室温下工作的量子比特将向前迈出重要一步，促进量子电路集成到工业，商业和消费级电子产品中。欧阳指出，自然通信公司描述的新型钻石杂化纳米材料在用作量子比特时具有提高氮空位性能的重要前景。
虽然这些应用对未来有希望，但欧阳及其同事的主要突破是他们构建混合纳米粒子的方法。尽管其他研究人员将纳米金刚石与互补纳米颗粒配对，但这些努力依赖于相对不精确的方法，例如将钻石和颗粒彼此相邻地手动安装到更大的表面上。研究人员说，这些方法既昂贵又耗时，并且引入了许多并发症。
“我们的关键创新是，我们现在可以可靠，高效地生产大量这些独立的混合颗粒，”欧阳解释说，他还在UMD纳米物理和先进材料中心和马里兰纳米中心任命，并在UMD担任附属教授。材料科学与工程系。
由欧阳及其同事，UMD物理研究员Jianxiao Gong和物理研究生Nathaniel Steinsultz开发的方法，也可以精确控制颗粒的性质，如非金刚石颗粒的成分和总数。例如，混合纳米颗粒可以加速量子计算机的室温量子比特的设计，用于生物医学成像的更亮的染料，以及高灵敏度的磁性和温度传感器。
“混合材料通常具有独特的性质，这些特性是由混合物的不同组分之间的相互作用产生的。在纳米结构材料中尤其如此，在这种材料中可能发生强大的量子力学相互作用，”大学材料科学与工程副教授Matthew Doty说。特拉华州没有参与该研究。“UMD团队的新方法为批量生产定制混合材料创造了独特的机会。我预计这一进步将为传感和诊断技术提供多种新方法。”
纳米金刚石的特殊性质由它们的氮空位决定，这会导致金刚石晶体结构的缺陷。纯钻石由有序碳原子晶格组成，完全透明。然而，纯天然钻石在天然钻石矿床中非常罕见;大多数都具有由非碳杂质如氮，硼和磷引起的缺陷。这些缺陷产生宝石钻石中可见的微妙和理想的颜色变化。
研究中使用的纳米级钻石是人工创造的，并且至少有一个氮空位。该杂质导致在其他有序的碳晶格中改变的键结构。改变的键是光学，电磁和量子物理性质的来源，使得钻石在与其他纳米材料配对时有用。
虽然目前的研究描述了具有氮取代的钻石，但欧阳指出，该技术也可以扩展到其他钻石杂质，每种钻石杂质都可以开辟新的可能性，我们技术的一个主要优势在于它具有广泛的用途，可以应用于各种钻石类型，并与各种其他纳米材料配对，”欧阳解释说。“它也可以相当容易地扩大规模。我们有兴趣进一步研究基础物理学，但也转向特定应用。室温量子纠缠的可能性特别令人兴奋和重要。”
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