Τα λαμπερά διαμάντια κάνουν υπέροχα θερμόμετρα

Τα διαμάντια είναι γνωστά για πολλά πράγματα:τη σκληρότητα, τη λάμψη και τη φήμη τους ως «ο καλύτερος φίλος του κοριτσιού». Αλλά οι πολύτιμοι λίθοι έχουν επίσης σημαντικές επιστημονικές χρήσεις. Νέα έρευνα προτείνει ότι ένας συγκεκριμένος τύπος τεχνητού διαμαντιού μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως αισθητήρας θερμοκρασίας νανοκλίμακας με απαράμιλλη ακρίβεια στο χρόνο και στο χώρο.

«Νομίζω ότι αυτή η εργασία είναι μια πραγματική πρόοδος», λέει ο επιστήμονας υλικών Daniel Jaque από το Αυτόνομο Πανεπιστήμιο της Μαδρίτης, ο οποίος δεν συμμετείχε στη μελέτη. "Είναι μια καλή εργασία για ένα καυτό θέμα."

Οι μικροσκοπικοί διαμαντένιοι ανιχνευτές μπορούν να μετρήσουν θερμοκρασίες που κυμαίνονται από 120 K έως 900 K (–153 ° C έως 627 ° C) - τόσο κρύες όσο οι πόλους του Άρη και σχεδόν 200 ° πιο ζεστές από την επιφάνεια της Αφροδίτης. Μπορούν επίσης να ανιχνεύσουν αλλαγές θερμοκρασίας σε αποστάσεις τόσο μικρές όσο 5 μm (περίπου το μέγεθος της κεφαλής ενός σπερματοζωαρίου) και σε χρονικές κλίμακες τόσο σύντομες όσο 800 picoseconds (0,0000000008 δευτερόλεπτα). Οι επιστήμονες ανακάλυψαν τις ιδιότητες των ανιχνευτών—αναφέρεται στο τρέχον τεύχος του Applied Physics Letters — όταν ξεκίνησαν να διερευνήσουν ένα μοναδικό ελάττωμα στα διαμάντια που καλλιεργούνται με πρόδρομες ουσίες νικελίου. Η τεχνική ενσωματώνει μερικά άτομα νικελίου στην κρυσταλλική δομή του διαμαντιού, σχηματίζοντας αυτό που ονομάζεται «κέντρο ελαττωμάτων S3». Όπως πολλά άλλα ελαττώματα διαμαντιών, το κέντρο S3 εκπέμπει μια λάμψη όταν χτυπηθεί από έναν παλμό φωτός λέιζερ. Οι επιστήμονες μπορούν στη συνέχεια να χρησιμοποιήσουν τη διάρκεια ζωής της προκύπτουσας φωταύγειας για να υπολογίσουν τη θερμοκρασία του καθετήρα:Καθώς η θερμοκρασία πέφτει, το διαμάντι λάμπει για μεγαλύτερες χρονικές περιόδους.

Οι αισθητήρες θερμοκρασίας φωτισμού δεν είναι μια εντελώς νέα ιδέα, αλλά αυτό που κάνει το ελάττωμα S3 τόσο ελκυστικό είναι ότι συνδυάζει ταχύτητα και ακρίβεια σε ένα ευρύ φάσμα θερμοκρασιών, λέει η επιστήμονας υλικών Estelle Homeyer από το Πανεπιστήμιο της Λυών στη Γαλλία και επικεφαλής συγγραφέας του χαρτί. Ο συν-συγγραφέας της, φασματογράφος Christophe Dujardin του Πανεπιστημίου της Λυών, προσθέτει:"Υπάρχουν πολλά είδη ακαθαρσιών στο διαμάντι και αυτό το συγκεκριμένο ελάττωμα ήταν το πιο ενδιαφέρον. Είναι πιο καθολικό. Συνδυάζεις όλους τους σκοπούς σε έναν ανιχνευτή." /P>

Η ανώτερη ευελιξία του ελαττώματος S3 προέρχεται από την ηλεκτρονική του δομή, η οποία μπορεί να διεγείρεται σε δύο διαφορετικά επίπεδα ενέργειας. Αυτό παράγει φωταύγεια σε δύο ξεχωριστά μήκη κύματος που έχουν διάρκεια ζωής που κυμαίνονται από 277 εκατομμυριοστά του δευτερολέπτου έως περίπου 100 δισεκατομμυριοστά του δευτερολέπτου. Αυτή η διαφορά καθιστά τη φωταύγεια διαμαντιών με πρόσμειξη νικελίου εξαιρετικά ευαίσθητη στις διακυμάνσεις της θερμοκρασίας.

Οι ερευνητές λένε ότι οι ανιχνευτές διαμαντιών θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν για ένα ευρύ φάσμα εφαρμογών, αλλά ο Jaque υποψιάζεται ότι θα είναι πιο χρήσιμοι για την παρατήρηση του νανοσκοπικού κόσμου, ιδιαίτερα των λεπτών διακυμάνσεων της θερμοκρασίας στα ζωντανά κύτταρα. Αλλά αυτό μπορεί να περιορίζεται σε λεπτά στρώματα κυττάρων σε εργαστηριακές ρυθμίσεις, καθώς το ορατό φως που εκπέμπεται από τους ανιχνευτές διαμαντιών - μια αχνή πράσινη λάμψη - δεν διεισδύει πολύ καλά σε ολόκληρο τον ανθρώπινο ιστό. "Μόνο το υπέρυθρο φως μπορεί να διεισδύσει στο σώμα σας. Δεν μπορείτε να το κάνετε αυτό χρησιμοποιώντας ορατό φως", λέει ο Jaque. Ωστόσο, μια ματιά σε κλίμακα μικρού στη θερμοδυναμική των ανθρώπινων κυττάρων με ανάλυση χρόνου σε picosecond θα ήταν ένα τεράστιο εργαλείο για τους επιστήμονες.

Οι ανιχνευτές θα μπορούσαν να έχουν εφαρμογές και στις επιστήμες των υλικών, λέει ο συν-συγγραφέας Gilles Ledoux από το Πανεπιστήμιο της Λυών, ειδικά στη μέτρηση της τριβής μεταξύ δύο υλικών σε πολύ μικρές κλίμακες - ένας τομέας μελέτης που επί του παρόντος δεν είναι πολύ καλά κατανοητός. Αλλά η ομάδα επισημαίνει ότι οι ανιχνευτές είναι ακόμα σε αρχικό στάδιο. Για αρχή, οι επιστήμονες δεν ξέρουν ακριβώς πώς να φτιάξουν τα κέντρα ελαττωμάτων S3. Οι τρέχουσες τεχνικές βασίζονται στην καλλιέργεια διαμαντιών με πρόδρομο νικέλιο και στην ελπίδα να εμφανιστούν τα ελαττώματα. "Δεν ξέρουμε πώς να το προετοιμάσουμε. Απλώς το συλλέγουμε από πολλά διαμάντια, [και] μερικά από αυτά έχουν αυτό το αποτέλεσμα. Είναι μια μακρά διαδρομή", λέει ο Dujardin. Τώρα, η τεχνική δίνει μια ένδειξη θερμοκρασίας με ακρίβεια 2, αλλά μια πιο εκλεπτυσμένη προσέγγιση θα μπορούσε να επιτρέψει στους ερευνητές να τυποποιήσουν το μέγεθος των σωματιδίων του διαμαντιού και τον αριθμό των ελαττωμάτων για να αυξήσουν ακόμη περισσότερο την ακρίβεια.