Da li pretvaranje dijamanta u metal može napraviti revoluciju u nauci, medicini i industriji?

Poznat kao najtvrđi prirodni materijal dijamant je takođe i izuzetan provodnik toplote, ali i električni izolator. Istraživači su našli način da u kontrolisanim uslovima precizno podešavaju sićušne iglice dijamanata kako bi izmenili njihova elektronska svojstva. Postepeno su ih modifikovali od izolatora preko poluprovodnika i provodnika sve do superprovodljivog materijala tako što su ih indukovali dinamički, a potom vratili u početni oblik, bez oštećenja strukture dijamanta, piše SciTech Daily.

Ovo istraživanje iako u najranijim fazama može popločati put upotrebi dijamanata za solarne panele koji koriste veliki spektar svetlosnih talasa, LED tehnici visoke efikasnosti i elektronici koja koristi visoke voltaže, novim optičkim uređajima ili kvantnim senzorima.

Preporučujemo

Ova naučna otkrića koja su bazirana na simulaciji, matematičkim proračunima i ranijim eksperimentalnim rezultatima su objavljena još 2020. godine u Proceedings of National Academy of Sciences od strane grupe autora.

Tim je koristio kvantno mehaničke proračune, analize mehaničkih deformacija i mašinsko učenje (podvrsta veštačke inteligencije) kako bi se dokazao fenomen za koji se dugo smatralo da je teoretski moguć, da se može postići u realnosti na nanodijamantima. Upotreba stress and strain tehnologije (vršenje sile kako bi došlo do deformacije unutar materijala) na poluprovodnike poput silikona kako bi im se poboljšale performanse nije nova i primenjuje se više od dve decenije u industriji mikroelektronike.

Ovaj proces zahteva malu silu kako bi se postigle deformacije od oko 1%. Tim istraživača predvođen profesorom Džu Lijem sa MIT su proveli godine pronalazeći model (elastic strain inžinjering) gde bi se primenom srednjih i većih sila došlo do velikih deformacija u materijalu čime bi mu se drastično promenila svojstva. Ideja je da se promeni raspored atoma unutar kristalne rešetke materijala, ali da se ne narušava sama struktura kristalne rešetke.

Sureš Dao i Jang Lu iz Siti univerziteta u Hong Kongu su uspeli da saviju nanoiglice dijamanta bez da im naruše strukturu i da im stvore deformacije koje su bile i do 10%, a da pri tome nisu pukle. One su takođe bile u mogućnosti da se vrate u prvobitni oblik.

Ključno za ovo celokupno istraživanje je svojstvo materijala koje se naziva bandgap koje u suštini određuje koliko lako se elektroni mogu kretati kroz materijal. To je u osnovi i ključ provodljivosti materijala. Ova vrednost je kod dijamanta dosta velika, 5,6 elektron volti, što znači da se elektroni slabo pokreću kroz njega i da je on dobar izolator. Međutim, simulacije pokazuju da je moguće postupno promeniti dijamantov bandgap dajući nam čitavu lepezu električnih svojstava od izolatora do superprovodljivog materijala.

Profesor li kaže da je u mogućnosti da smanji bandgap dijamanta sa 5,6 sve do 0 u kontinuitetu. Na taj način moguće je ciljano, prema potrebama, menjati vrednosti bandgapa. Pomoću strain inženjeringa možemo dijamant svesti da ima bandgap silikona i da se ponaša poput poluprovodnika ili galijum nitrida koji se koristi za LED uređaje. Možete ga čak pretvoriti u detektor za infracrveni spektar svetlosti ili pak da otkriva čitav spektar svetlosnih frekvenci od infracrvene do ultraljubičaste.

„Mogućnost da se kroz dijamant provodi struja bez promene njegovog hemijskog sastava i stabilnosti nudi nam do sada neviđenu fleksibilnost da njegove funkcije prilagodimo našim potrebama.“ kaže profesor Sureš. On dalje kaže da se metodi predstavljeni u ovom istraživanju mogu primeniti i na čitavu lepezu drugih poluprovodnika važnih za brojne grane industrije.

U budućnosti bi maleni dijamant mogao savijanjem i deformacijom postati solarna ćelija koja prima čitav svetlosni spektar na jednom uređaju. To je za sada moguće samo upotrebom tandem uređaja koji su vezani u nivoe kako bi se iskombinovale njihove sposobnosti za hvatanje dela svetlosnog spektra. Ovo bi potencijalno moglo naći primenu u industriji i nauci kao fotodetektor širokog spektra.

Ovaj rani uspeh još uvek nije primenjiv u praksi, ali istraživači kažu da će dalja ispitivanja pojednostaviti primenu dijamanata u nauci, medicini i brojnim granama industrije dajući nam nove naučne i tehnološke korake ka budućnosti.

(Telegraf Nauka / SciTech Daily)