Nanodiamanten aus dem Reagenzglas

Aus Graphen lassen sich Diamant-Nanopartikel mit bestimmter Größe und gewünschten Eigenschaften herstellen

• Vielseitige Nanodiamanten: Diamantpartikel mit einer Größe von wenigen Millionstel Millimetern könnten in der Quantentechnologie, der Sensorik und der biomedizinischen Forschung Anwendung finden.
• Neues Herstellungsverfahren: Ein Team unter Leitung des Max-Planck-Instituts für Polymerforschung hat einen Weg gefunden, Nanodiamanten aus Graphenschnipseln aufzubauen.
• Maßgeschneiderte Partikel: Der neue Syntheseweg ermöglicht es, die Größe und Eigenschaften der Diamanten präzise zu kontrollieren. 

Nanodiamanten eignen sich als winzige Lichtquellen, als feinfühlige Sensoren für Magnetfelder oder als Rechenelemente eines Quantencomputers. Nun lassen sie sich in gewünschter Größe und in der nötigen chemischen Zusammensetzung maßschneidern. Ein internationales Forschungsteam unter der Leitung von Yingke Wu und Tanja Weil vom Max-Planck-Institut für Polymerforschung hat einen Syntheseweg für Nanodiamanten entwickelt, den die Forschenden in der Fachzeitschrift Nature präsentieren: Statt größere Diamanten zu zerkleinern, bauen sie winzige Diamanten aus molekularen Bausteinen auf. Konkret nutzen sie dafür Graphenschnipsel, also Blätter einzelner Kohlenstofflagen. Die Kohlenstoffmoleküle wandelt das Team unter hohem Druck und hoher Temperatur direkt in diamantähnliche Nanostrukturen umgewandelt. So hat das Team Diamanten mit einer Größe von etwa drei bis vier Nanometern hergestellt.

Maßgeschneiderte Nanodiamanten mit vielen Anwendungen

Der entscheidende Vorteil des sogenannten Bottom-up-Ansatzes liegt darin, dass sich durch die Ausgangsmoleküle kontrollieren lässt, mit welcher Struktur und Zusammensetzung die Nanodiamanten enstehen. Bei den konventionellen Verfahren sind die Möglichkeiten der Kontrolle viel begrenzter. Besonders wichtig ist dabei, dass sich gezielt etwa Stickstoffatome in das Diamantgitter einbauen lassen. Dadurch entstehen Stickstoff-Fehlstellen-Zentren, die als Farbzentren und Quellen einzelner Photonen dienen können. Durch geeignete molekulare Vorläufer lassen sich in einem Syntheseschritt auch gezielt Silizium oder Gemraniumatome in das Diamantgitter einbauen. Dadurch lassen sich die Nanodiamanten in verschiedenen Farben zum Leuchten bringen. „Wir glauben, dass diese Plattform eine skalierbare Grundlage für die Entwicklung von Quantensensoren, integrierten photonischen Emittern und programmierbaren diamantbasierten Nanomaterialien bietet“, sagt Tanja Weil.

Die molekularen Nanodiamanten könnten in der Quantentechnologie, etwa als winzige genau kontrollierbare Lichtquelle oder als Qubit, also als Pendant zum klassischen Bit im Quantencomputer, eingesetzt werden. Mit ihnen lassen sich aber auch winzige Magnetfelder messen. So ließe sich mit ihnen etwa nach dem Prinzip eines Kernspintomografen die Struktur einzelner Biomoleküle aufklären. Nanodiamanten könnten zudem als Marker dienen, mit denen sich Prozesse in Zellen oder anderen biologischen Umgebungen sehr detailreich sichtbar machen lassen.

Beteiligte Institutionen

An der Studie beteiligt waren das Deutsche Elektronen-Synchrotron (DESY), die Goethe-Universität Frankfurt, die Johannes Gutenberg-Universität Mainz, das Leibniz-Institut für Neue Materialien, das Max-Planck-Institut für Kolloid- und Grenzflächenforschung, das Max-Planck-Institut für Polymerforschung, die University of Cambridge, die Universität des Saarlandes, die Universität Göttingen und die Universität Ulm.