Композит нового типа. Сверхпрочные алмазные контейнеры помогут увидеть рентгеновские лучи

Ученые получили композит нового типа на основе алмаза и люминесцентных наночастиц внутри него. Разработанный материал сочетает в себе лучшие характеристики как алмаза, так и частиц — 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 — устройств, используемых для исследования структуры молекул и кристаллов с помощью рентгеновских лучей. Это нужно, чтобы контролировать форму рентгеновского пучка и понимать, проходит ли он через анализируемый объект. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Carbon.

Для многих исследований в области химии, физики, биологии и медицины необходимо воздействовать на образцы мощным рентгеновским излучением (в сотни тысяч раз более интенсивным, чем излучение рентгеновских аппаратов в поликлиниках). При этом для изучения конкретного участка материала необходимо точно знать, куда фокусируется рентгеновское излучение. Сделать это сложно, поскольку оно невидимо для глаз. Для его визуализации используют детекторы излучения, которые состоят из вещества-люминофора, которое превращает рентгеновское излучение в фотоны — частицы света.

Специальный датчик улавливает фотоны и выводит изображение на монитор. Однако такие датчики не удается использовать, если рентгеновское излучение очень мощное, поскольку оно разрушает стандартные детекторы. Для того, чтобы визуализатор выдерживал мощное рентгеновское излучение, он должен быть сделан из материала, который будет твердым, устойчивым к радиации и обладать высокой теплопроводностью, чтобы не разрушаться от высоких температур.

В результате самым подходящим материалом для таких устройств считается синтетический алмаз, но он не люминесцирует (не «светится») в видимом диапазоне, когда на него поступает рентгеновское излучение. Чтобы «заставить» алмаз светиться, можно «упаковать» внутрь него вещество, которое эффективно люминесцирует в видимом диапазоне света при рентгеновском возбуждении. Сконструировать такую «упаковку» достаточно сложно, так как алмазы выращивают в агрессивной среде водород-метановой плазмы при температурах 750–900 ^оС. Помещаемые в алмаз материалы в таких условиях теряют свои свойства, поэтому их нужно чем-то защитить.

Ученые из Института общей физики им. А.М. Прохорова Российской академии наук (Москва) с коллегами предложили методику, которая помогает уберечь вещества, помещаемые внутрь алмаза, от разрушения, что позволяет создавать алмазы с заданными характеристиками. Подход заключается в том, что 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 удается выращивать алмазную пленку с наночастицами внутри, поскольку нанесенные на поверхность целевого вещества алмазные частицы защищают его от разрушения.

Поперечное сечение алмазных композитов с различными внедренными целевыми веществами.
Источник: A. Martyanov et al. / Carbon, 2024.

По разработанной методике ученые создали алмазный композит, внутрь которого поместили люминофоры на основе фторидов и оксидов. Особенность этих веществ состоит в том, что, поглощая рентгеновское излучение, они начинают светиться в видимом диапазоне. Предложенная методика выращивания алмазных композитов с защитными наночастицами позволяет «упаковать» в алмаз и другие вещества, которые будут светиться на разных длинах волн или обладать иными важными свойствами.

«Наш подход позволяет значительно расширить ассортимент веществ, которые возможно встроить в алмаз. Более того, становится возможным расположить наночастицы в различных алмазных слоях, создавая многоуровневые архитектуры. В перспективе в процессе роста алмаза можно будет внедрить в алмаз вещества, которые не устойчивы в атмосфере воздуха, и осуществлять с ними химические реакции.

Сергей Кузнецов, руководитель проекта, кандидат химических наук, ведущий научный сотрудник лаборатории технологии наноматериалов для фотоники ИОФ РАН.

В исследовании также принимали участие 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).

Изображение: пресс-служба РНФ