Vědci z ÚOCHB zásadně zrychlili a zlevnili výrobu „kvantových“ nanodiamantů

Mezinárodní tým vědců ze tří kontinentů vedený Dr. Petrem Cíglerem z Ústavu organické chemie a biochemie AV ČR vyvinul metodu, která zvládne během několika minut vytvořit v nanodiamantech svítivá kvantová centra. Během jediného týdne vyrobí takové množství materiálu, které by se běžně užívaným způsobem připravovalo víc než čtyřicet let. Vzniklé nanodiamanty mají navíc lepší optické i kvantové vlastnosti. Díky jejich průlomovému objevu jsme o krok blíž průmyslové výrobě kvalitnějších a dostupnějších kvantových nanodiamantů, které mají široké využití ve výzkumu i v technologiích. Článek otiskl respektovaný vědecký časopis Advanced Functional Materials.

Tomáš Belloň / ÚOCHB: Dr. Petr Cígler, vedoucí vědecké skupiny Syntetická nanochemie, a Dr. Michal Gulka, první autor studie

Vědci představili nový postup nazvaný PTQ (Pressure and Temperature Qubits) trvající pouhé čtyři minuty. Diamantový prášek se vloží do lisu, který vyvine velmi vysoký tlak a teplotu, čímž napodobuje podmínky panující hluboko v zemském plášti. V nanodiamantech následně vzniknou kvantová centra (tzv. NV centra). Aby se částice nespekly dohromady, přidává se obyčejná kuchyňská sůl, která se při zahřívání roztaví a vytvoří ochranné prostředí. Po skončení procesu se sůl jednoduše odstraní vodou a zůstane čistý, zářící materiál.

„Dokázali jsme přípravu kvantových center v nanodiamantech víc než tisíckrát zrychlit oproti standardnímu postupu. Dosud bylo nutné ozařovat diamantový prášek svazkem nabitých částic po dobu dvou týdnů a potom jej žíhat při vysoké teplotě. Výsledkem byl přitom jen necelý gram použitelného materiálu. Teď jej umíme vyrobit v kilogramech,“ upozorňuje první autor studie, Dr. Michal Gulka, postdoktorand ze skupiny Petra Cíglera.

ÚOCHB: Přístroj, ve kterém se svítivé nanodiamanty připravovaly.

Nanodiamanty jsou částice drobnější než virus, které se využívají k pokročilé diagnostice pro měření magnetických polí, náboje či teploty. Jako citlivý senzor fungují díky NV centru (nitrogen vacancy center), což je atom dusíku vedle prázdného místa v diamantové mřížce, v němž chybí atom uhlíku. NV centrum je fluorescenční, což znamená, že po ozáření vydává světlo. Intenzitu a dobu trvání světla ovlivňují změny v jeho okolí, proto nanodiamanty dokážou zaznamenat dokonce jednotlivé molekuly nebo měřit teplotu uvnitř buněk.

Zásadní podíl na projektu má americká firma MegaDiamond, která plánuje nastartovat průmyslovou výrobu těchto nanosenzorů. Petr Cígler k tomu dodává: „Díky novému postupu můžou laboratoře i firmy na celém světě získat velké množství velmi kvalitních nanodiamantů s NV centry, což otevírá dveře novým technologiím. Od precizních senzorů pro lékařskou diagnostiku až po lokální detektory molekul využívající například principy magnetické rezonance.“

Studie vznikla i díky projektu AMULET, který se zaměřuje na vývoj víceškálových nanomateriálů a spojuje osm partnerů pod vedením Ústavu fyzikální chemie J. Heyrovského. AMULET získal finanční podporu z operačního programu Jana A. Komenského spravovaného MŠMT v kategorii Špičkový výzkum.

ÚOCHB: Standardní postup přípravy NV (nitrogen vacancy) kvantových center v nanodiamantech zahrnuje nákladné ozáření v částicových urychlovačích a žíhaní. Je pracný i časově náročný. Nová metoda, využívající plastickou deformaci při velmi vysoké teplotě a tlaku, vytváří jak červeně svítící NV centra, tak zeleně svítící H3 centra. Navíc opravuje diamantovou mřížku a tyto částice pak mají stabilnější nábojový stav, vetší magnetorezonační (MR) kontrast a lepší spinové vlastnosti NV center, což umožňuje citlivější a přesnější měření.

Původní článek

Quantum‐Grade Nanodiamonds from a Single‐Step, Industrial‐Scale Pressure and Temperature Process

Yahua Bao, Michal Gulka, Parkarsh Kumar, Jakub Copak, Priyadharshini Balasubramanian, Yuliya Mindarava, Rémi Blinder, Michael Olney-Fraser, Haotian Wen, Hana Spanielova, Helen Zhi Jie Zeng, Benjamin Whitefield, Igor Aharonovich, Jaroslav Hruby, Fedor Jelezko, J. Daniel Belnap, Shery L. Y. Chang, Petr Cigler

Adv. Funct. Mater. 2025

https://doi.org/10.1002/adfm.202520907