一位物理化學(xué)家和他的一群不同的學(xué)生正在研究納米鉆石的應(yīng)用。對(duì)亞伯拉罕-沃爾科特來(lái)說(shuō)，鉆石所代表的意義遠(yuǎn)不止是閃閃發(fā)光的寶石和地位的象征。這位圣何塞州立大學(xué)的物理化學(xué)家從事納米鉆石的研究，納米鉆石是由較大的合成鉆石分解而成的微型鉆石。納米鉆石是如此之小，以至于一排8000個(gè)納米鉆石可以跨越人類(lèi)頭發(fā)的寬度。

       像沃爾科特這樣的科學(xué)家能用這樣微小的寶石完成什么？事實(shí)上有很多。

       鉆石的碳基質(zhì)使它可以安全地用于活體細(xì)胞和組織，而這些細(xì)胞和組織大多是碳。沃爾科特說(shuō)，鉆石也是化學(xué)惰性的，善于輸送熱量，并且是光學(xué)透明的--這意味著光很容易通過(guò)它們。簡(jiǎn)而言之，它們的化學(xué)特性使它們?cè)诟鞣N應(yīng)用中都很有價(jià)值，從蛋白質(zhì)合成的實(shí)時(shí)檢測(cè)到量子計(jì)算，當(dāng)然，在這些特性上的應(yīng)用研發(fā)都在早期階段。

       盡管你可能在高中化學(xué)課上學(xué)到的鉆石是純碳，但沃爾科特對(duì)其他元素在他的納米鉆石內(nèi)外的作用更感興趣。

       他說(shuō)，當(dāng)?shù)颖焕г阢@石的碳晶格中時(shí)，這種雜質(zhì)會(huì)在碳原子應(yīng)該出現(xiàn)的地方產(chǎn)生一個(gè)開(kāi)放點(diǎn)，稱(chēng)為氮空位中心。當(dāng)這個(gè)中心被綠光照射時(shí)，它會(huì)發(fā)出紅光，然后研究人員可以依靠這種光芒來(lái)追蹤納米鉆石在整個(gè)生物體內(nèi)的移動(dòng)。

       但是，無(wú)論它們是在血液中還是在光纜中流動(dòng)，為了讓鉆石做你想做的事情，首先需要能夠控制它們的表面，而這正是實(shí)驗(yàn)室的大部分精力所在。

       SSRL的過(guò)渡邊緣傳感器（TES）幫助研究人員研究胺和其他在鉆石晶格下面排列的分子。當(dāng)TES投入使用時(shí)，Wolcott的小組是第一批試用該傳感器的人之一。

       沃爾科特在圣何塞的研究小組正在努力將不同的化學(xué)基團(tuán)附著在納米鉆石的表面。今年早些時(shí)候，他們?cè)凇段锢砘瘜W(xué)快報(bào)》上發(fā)表了一篇關(guān)于開(kāi)發(fā)一個(gè)穩(wěn)定的化學(xué)反應(yīng)的論文，通過(guò)首先用化學(xué)方法將溴原子哄騙到納米金剛石的表面，將被稱(chēng)為胺的含氮化學(xué)基團(tuán)附著到納米金剛石的表面。研究人員說(shuō)，這些發(fā)現(xiàn)對(duì)研究生物系統(tǒng)或量子傳感器非常有用，他們還為其在納米技術(shù)中的潛在應(yīng)用申請(qǐng)了專(zhuān)利。

       這一發(fā)展是大量工作的產(chǎn)物，小組的一些化學(xué)程序可能需要五天才能完成，這構(gòu)成了一個(gè)潛在的后勤挑戰(zhàn)，因?yàn)楸究粕话愣济τ谏险n，不需要全職在實(shí)驗(yàn)室。然而，她說(shuō)清晰的溝通是團(tuán)隊(duì)的關(guān)鍵。學(xué)生們相互協(xié)調(diào)他們的時(shí)間表，像一條多天的流水線一樣完成反應(yīng)，直到反應(yīng)完成。

       在嘗試用化學(xué)方法將不同的分子附著在納米金剛石的表面后，研究人員需要一種方法來(lái)測(cè)試他們的反應(yīng)是否成功。為此，他們把經(jīng)過(guò)化學(xué)處理的納米金剛石帶到能源部的SLAC國(guó)家加速器實(shí)驗(yàn)室的斯坦福同步輻射光源（SSRL）。

       同步輻射光源就像一個(gè)"生產(chǎn)高強(qiáng)度X射線束的大工廠"，工作人員李相俊說(shuō)。當(dāng)電子匆匆通過(guò)同步加速器的存儲(chǔ)環(huán)時(shí)，超強(qiáng)的磁鐵導(dǎo)致粒子束擺動(dòng)，產(chǎn)生強(qiáng)大的X射線，被輸送到每條光束線的實(shí)驗(yàn)站。在10-1號(hào)光束線，一個(gè)被稱(chēng)為過(guò)渡邊緣傳感器（TES）的儀器以精細(xì)的分辨率測(cè)量從實(shí)驗(yàn)樣品中出來(lái)的X射線，它們可以揭示出物質(zhì)的電子結(jié)構(gòu)--即其電子能量排列方式的模式。在納米鉆石的情況下，TES可以檢測(cè)到鉆石表面存在哪些化學(xué)基團(tuán)。