Ученые разработали сверхбыстрый метод создания квантовых наноалмазов

Установка, в которой создавали люминесцентные наноалмазы. Автор: Институт органической химии и биохимии Чешской академии наук

Международная команда ученых с трех континентов под руководством доктора Петра Циглера из Института органической химии и биохимии Чешской академии наук разработала метод создания светоизлучающих квантовых центров в наноалмазах всего за несколько минут. Всего за одну неделю этот процесс позволяет получить столько материала, сколько традиционные методы производят за более чем сорок лет.

Более того, полученные наноалмазы демонстрируют улучшенные оптические и квантовые свойства. Этот прорыв приближает нас на шаг к промышленному производству более качественных и доступных квантовых наноалмазов, которые имеют широкое применение в исследованиях и технологиях. Статья опубликована в журнале Advanced Functional Materials.

Исследовательская группа представила новую процедуру под названием Pressure and Temperature Qubits (PTQ), которая занимает всего четыре минуты. Алмазный порошок помещается в пресс, создающий чрезвычайно высокое давление и температуру, воспроизводя условия, существующие глубоко в мантии Земли. В этих условиях внутри наноалмазов формируются квантовые центры.

Чтобы предотвратить слияние частиц, добавляется обычная поваренная соль. Она плавится при нагревании, создавая защитную среду. После процесса соль просто удаляется водой, оставляя чистый люминесцентный материал.

«Мы ускорили создание квантовых центров в наноалмазах более чем в тысячу раз по сравнению со стандартной процедурой. До сих пор алмазный порошок приходилось облучать пучком заряженных частиц в течение двух недель, а затем отжигать при высокой температуре. В результате получалось менее грамма пригодного материала. Теперь мы можем производить его килограммами», — говорит доктор Михал Гулка, научный сотрудник группы Петра Циглера и первый автор исследования.

Наноалмазы — это частицы размером меньше вируса, которые используются в передовой диагностике для измерения магнитных полей, заряда или температуры. Они функционируют как высокочувствительные сенсоры благодаря азотно-вакансионному (NV) центру — атому азота, расположенному рядом с отсутствующим атомом углерода в кристаллической решетке алмаза. NV-центр флуоресцентный, то есть при освещении он излучает свет. Интенсивность и время этого света зависят от изменений в окружающей среде, что позволяет наноалмазам обнаруживать даже отдельные молекулы или измерять температуру внутри клеток.

Стандартная процедура создания NV-квантовых центров в наноалмазах включает дорогостоящее облучение в ускорителях частиц и отжиг. Это трудоемкий и длительный процесс. Новый метод, использующий пластическую деформацию при чрезвычайно высокой температуре и давлении, производит как красные NV-центры, так и зеленые H3-центры. Более того, он восстанавливает алмазную решетку, что приводит к частицам с более стабильным зарядовым состоянием, более высоким контрастом магнитного резонанса и улучшенными спиновыми свойствами NV-центров, что позволяет проводить более чувствительные и точные измерения. Автор: Институт органической химии и биохимии Чешской академии наук

Ключевым участником проекта является американская компания MegaDiamond, которая планирует запустить промышленное производство этих наносенсоров.

«Благодаря новому методу лаборатории и компании по всему миру могут получать большие количества высококачественных наноалмазов с NV-центрами, что открывает дверь для новых технологий — от прецизионных сенсоров для медицинской диагностики до локальных молекулярных детекторов, основанных на таких принципах, как магнитный резонанс», — добавляет доктор Циглер.

Больше информации: Yahua Bao et al, Quantum‐Grade Nanodiamonds from a Single‐Step, Industrial‐Scale Pressure and Temperature Process, Advanced Functional Materials (2025). DOI: 10.1002/adfm.202520907

Источник: Institute of Organic Chemistry and Biochemistry of the CAS