Vědci z Fyzikálního ústavu Akademie věd ČR ve spolupráci s americkými, německými a belgickými kolegy uspěli ve vývoji nejmenšího diamantu na světě. Synteticky vytvořený krystal nanodiamantu byl vypěstován ze zárodku obsahujícího 26 atomů uhlíku. Velikost zárodku krystalu je asi stotisíckrát menší než šířka lidského vlasu. 

Studie ukazuje, že shluk 26 atomů uhlíku je právě nejmenší možná velikost pro vytvoření tzv. kritického zárodku dokonalého diamantového krystalu. Tento objev poskytuje nové možnosti pro průzkum biologického světa. Na publikaci se kromě Fyzikálního ústavu AV ČR podílela i Stanfordská univerzita v USA, německá univerzita v Giessenu a belgická univerzita v Hasseltu.

Diamant je nejen nejtvrdším materiálem, ale má jedinečné optické vlastnosti, díky nimž je ideální pro průmyslové účely, jako jsou lasery, kvantová technologie nebo aplikace pro biologickou detekci. Právě pro vývoj buněčné detekce lze nanodiamanty využít jako nanoskopické senzory založené na principu nukleární magnetické rezonance: pracují na stejném principu jako NMR přístroje v lékařské diagnostice, ale působí přímo uvnitř živých buněk.

Nejmenší možný počet atomů

Diamanty musí být pro tyto účely naprosto čisté a musí mít velikost v řádu nanometrů. Toho se snažili vědci dosáhnout tím, že hledali nejmenší možný počet atomů, který je zapotřebí pro vytvoření kritického diamantového zárodku. Z tohoto zárodku se pak podařilo vypěstovat diamantový nanokrystal za použití methanu a atomů dusíku v plynovém výboji, jde o metodu nazvanou Plasma Enhanced Chemical Vapour Deposition. Pomocí této metody se dají vytvořit krystaly s čistotou 0,1 ppb. To znamená, že pouze jeden z 10 miliard atomů bude pouze atom pocházející z nečistot a v nanodiamantovém krystalu se proto nacházejí pouze atomy uhlíku.

Taková úroveň čistoty je nezbytná pro výrobu kvantového snímače pro detekci NMR vyrobeného pomocí implantace jednotlivých atomů dusíku do nanodiamantového  krystalu, které tvoří kvantový NMR senzor ve formě tzv. NV centra (atom dusíku vyplní prázdné místo v krystalové mřížce). Takové krystaly pak mají růžovou barvu. Atomová NMR sonda dokáže detekovat například protony v blízkém biologickém prostředí, podobně jako je tomu ve velkých NMR zařízeních, ale  v nanorozměrech s citlivosti bilionkrát ( 10¹²) vyšší, než  je dosahováno v běžném NMR zřízení.

 Syntetická výroba

Diamantové krystaly byly připraveny Andrew Taylorem a Dr. Václavem Petrákem z Fyzikálního ústavu Akademie věd ČR v rámci výzkumné práce navazující na český národní projekt BIOKOM Nanotechnologie pro společnost, jehož koordinátorem byl koordinátor M. Nesladek. Poznatky byly nedávno zveřejněny ve vědeckém časopise Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. Publikace přináší novou vizi syntetického procesu výroby diamantů a zvýšení jejich čistoty. Experimentální výsledky byly ověřeny rovněž teoretickým modelem. Tyto poznatky se dají využít i v jiných oblastech výzkumu, jako je výroba vrstev křemíku plazmatickými metodami a použití jako polovodičů pro počítačové čipy.

Na titulním obrázku mechanismus nukleace a růstu krystalu diamantu metodou PECVD (vlevo) a diamantové nanokrystaly vypěstované metodou PECVD zvětšením diamantového zárodku o velikosti 26 uhlíkových atomů (vpravo)

Připravil: Fyzikální ústav AV ČR ve spolupráci s Alicí Horáčkovou, Odbor mediální komunikace Kanceláře AV ČR
Foto: Fyzikální ústav AV ČR