Los nanomateriales tienen el potencial de mejorar muchas tecnologías de próxima generación. Prometen acelerar los chips de computadora, aumentar la resolución de los dispositivos de imágenes médicas y hacer que la electrónica sea más eficiente energéticamente. Pero imbuir nanomateriales con las propiedades correctas puede llevar mucho tiempo y ser costoso.Un método nuevo, rápido y económico para construir nanomateriales híbridos basados en diamantes podría lanzar el campo pronto.
Los investigadores de la Universidad de Maryland desarrollaron un método para construir nanopartículas híbridas basadas en diamantes en grandes cantidades desde cero, evitando así muchos de los problemas con los métodos actuales. La técnica se describe en la edición del 8 de junio de 2016 de la revista Comunicaciones de la naturaleza .
El proceso comienza con pequeños diamantes a nanoescala que contienen un tipo específico de impureza: un solo átomo de nitrógeno donde debería estar un átomo de carbono, con un espacio vacío justo al lado, como resultado de un segundo átomo de carbono faltante. Esta "vacante de nitrógeno"la impureza le da a cada diamante propiedades ópticas y electromagnéticas especiales.
Al unir otros materiales a los granos de diamante, como partículas de metal o materiales semiconductores conocidos como "puntos cuánticos", los investigadores pueden crear una variedad de nanopartículas híbridas personalizables, incluidos semiconductores e imanes a nanoescala con propiedades adaptadas con precisión.
"Si empareja uno de estos diamantes con nanopartículas de plata u oro, el metal puede mejorar las propiedades ópticas del nanodiamante. Si acopla el nanodiamante a un punto cuántico semiconductor, la partícula híbrida puede transferir energía de manera más eficiente", dijo Min Ouyang,profesor asociado de física en la UMD y autor principal del estudio.
La evidencia también sugiere que una sola vacante de nitrógeno exhibe propiedades físicas cuánticas y podría comportarse como un bit cuántico, o qubit, a temperatura ambiente, de acuerdo con Ouyang. Qubits son las unidades funcionales de la tecnología de computación cuántica que aún es difícil de alcanzar, lo que puedealgún día revolucionará la forma en que los humanos almacenan y procesan la información. Casi todos los qubits estudiados hasta la fecha requieren temperaturas ultra frías para funcionar correctamente.
Un qubit que funciona a temperatura ambiente representaría un importante paso adelante, facilitando la integración de los circuitos cuánticos en la electrónica industrial, comercial y de consumo. Los nuevos nanomateriales híbridos de diamante descritos en Comunicaciones de la naturaleza Ouyang señaló que es muy prometedor para mejorar el rendimiento de las vacantes de nitrógeno cuando se usan como qubits.
Si bien dichas aplicaciones son prometedoras para el futuro, el principal avance de Ouyang y sus colegas es su método para construir las nanopartículas híbridas. Aunque otros investigadores han emparejado nanodiamantes con nanopartículas complementarias, tales esfuerzos se basaron en métodos relativamente imprecisos, como la instalación manual de los diamantesy partículas una al lado de la otra en una superficie más grande una por una. Estos métodos son costosos, requieren mucho tiempo e introducen una serie de complicaciones, dicen los investigadores.
"Nuestra innovación clave es que ahora podemos producir de manera confiable y eficiente estas partículas híbridas independientes en grandes cantidades", explicó Ouyang, quien también tiene citas en el Centro de Nanofísica y Materiales Avanzados de UMD y el NanoCenter de Maryland, con un profesorado afiliado enDepartamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales de la UMD.
El método desarrollado por Ouyang y sus colegas, el investigador asociado de investigación física de la UMD Jianxiao Gong y el estudiante graduado de física Nathaniel Steinsultz, también permite un control preciso de las propiedades de las partículas, como la composición y el número total de partículas que no son de diamante. Las nanopartículas híbridaspodría acelerar el diseño de qubits de temperatura ambiente para computadoras cuánticas, tintes más brillantes para imágenes biomédicas y sensores magnéticos y de temperatura altamente sensibles, por nombrar algunos ejemplos.
"Los materiales híbridos a menudo tienen propiedades únicas que surgen de las interacciones entre los diferentes componentes del híbrido. Esto es particularmente cierto en los materiales nanoestructurados donde pueden ocurrir fuertes interacciones de mecánica cuántica", dijo Matthew Doty, profesor asociado de ciencia e ingeniería de materiales enla Universidad de Delaware que no participó en el estudio. "El nuevo método del equipo UMD crea una oportunidad única para la producción a granel de materiales híbridos a medida. Espero que este avance permita una serie de nuevos enfoques para las tecnologías de detección y diagnóstico".
Las propiedades especiales de los nanodiamantes están determinadas por sus vacantes de nitrógeno, que causan defectos en la estructura cristalina del diamante. Los diamantes puros consisten en una red ordenada de átomos de carbono y son completamente transparentes. Sin embargo, los diamantes puros son bastante raros en los diamantes naturalesdepósitos; la mayoría tienen defectos que resultan de impurezas que no son de carbono, como nitrógeno, boro y fósforo. Tales defectos crean las variaciones de color sutiles y deseables que se ven en los diamantes de piedras preciosas.
Los diamantes a nanoescala utilizados en el estudio se crearon artificialmente y tienen al menos una vacante de nitrógeno. Esta impureza da como resultado una estructura de enlace alterada en la red de carbono de otra manera ordenada. El enlace alterado es la fuente de la física óptica, electromagnética y cuántica.propiedades que hacen que los diamantes sean útiles cuando se combinan con otros nanomateriales.
Aunque el estudio actual describe diamantes con sustituciones de nitrógeno, Ouyang señala que la técnica también puede extenderse a otras impurezas de diamantes, cada una de las cuales podría abrir nuevas posibilidades.
"Una fortaleza importante de nuestra técnica es que es ampliamente útil y se puede aplicar a una variedad de tipos de diamantes y combinarse con una variedad de otros nanomateriales", explicó Ouyang. "También se puede ampliar con bastante facilidad. Estamosinteresado en estudiar más la física básica, pero también avanzar hacia aplicaciones específicas. El potencial de entrelazamiento cuántico a temperatura ambiente es particularmente emocionante e importante ".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Maryland . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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