Ученые создали новый тип композита на основе алмаза и люминесцентных наночастиц. Этот материал сочетает в себе лучшие свойства как алмаза, так и наночастиц — прочность, высокую теплопроводность и способность светиться в видимом диапазоне, что позволяет визуализировать невидимое рентгеновское излучение. Это поможет увидеть пучки излучения синхротронов и лазеров на свободных электронах, которые используются для исследования структуры молекул и кристаллов с помощью рентгеновских лучей. Такая визуализация необходима для контроля формы рентгеновского пучка и определения его прохождения через анализируемый объект. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Carbon.
Для многих исследований в химии, физике, биологии и медицине требуется воздействие на образцы мощным рентгеновским излучением, в сотни тысяч раз более интенсивным, чем излучение рентгеновских аппаратов в поликлиниках. Чтобы точно изучить конкретный участок материала, необходимо знать, куда фокусируется рентгеновское излучение, которое невидимо для глаз. Для визуализации используют детекторы излучения, состоящие из люминофора, который преобразует рентгеновское излучение в фотоны — частицы света. Специальный датчик улавливает фотоны и выводит изображение на монитор. Однако такие детекторы не выдерживают очень мощного рентгеновского излучения, которое разрушает стандартные детекторы.
Чтобы визуализатор выдерживал мощное рентгеновское излучение, он должен быть сделан из материала, обладающего твердостью, устойчивостью к радиации и высокой теплопроводностью, чтобы не разрушаться от высоких температур. Самым подходящим материалом считается синтетический алмаз, но он не люминесцирует в видимом диапазоне при воздействии рентгеновского излучения. Чтобы «заставить» алмаз светиться, можно «упаковать» внутрь него вещество, которое эффективно люминесцирует в видимом диапазоне при рентгеновском возбуждении. Создание такой «упаковки» сложно, так как алмазы выращивают в агрессивной среде водород-метановой плазмы при температурах 750–900 °C. Помещаемые в алмаз материалы в таких условиях теряют свои свойства, поэтому их нужно защитить.
Ученые из Института общей физики им. А. М. Прохорова Российской академии наук (Москва) предложили методику, которая защищает вещества, помещаемые внутрь алмаза, от разрушения, что позволяет создавать алмазы с заданными характеристиками. В СВЧ-печи, заполненной смесью метана и водорода, сначала выращивают алмазный слой. Потом на него наносят нужное вещество, а затем алмазные наночастицы для защиты от агрессивных условий роста алмаза. В результате получается алмазная пленка с наночастицами внутри, поскольку алмазные частицы на поверхности целевого вещества защищают его от разрушения.
Ученые создали алмазный композит, внутрь которого поместили люминофоры на основе фторидов и оксидов. Эти вещества начинают светиться в видимом диапазоне, поглощая рентгеновское излучение. Методика выращивания алмазных композитов с защитными наночастицами позволяет «упаковать» в алмаз и другие вещества, которые будут светиться на разных длинах волн или обладать другими важными свойствами.
«Наш подход позволяет значительно расширить ассортимент веществ, которые можно встроить в алмаз. Более того, становится возможным расположить наночастицы в различных алмазных слоях, создавая многоуровневые структуры. В перспективе можно будет внедрять в алмаз вещества, неустойчивые в атмосфере, и проводить с ними химические реакции», — объясняет руководитель проекта Сергей Кузнецов, кандидат химических наук, ведущий научный сотрудник лаборатории технологии наноматериалов для фотоники ИОФ РАН.
В исследовании также участвовали сотрудники Северо-Кавказского федерального университета (Ставрополь), Российского технологического университета МИРЭА (Москва), Института радиотехники и электроники имени В. А. Котельникова Российской академии наук (Фрязино) и Института физики и астрономии Кардиффского университета (Великобритания).
