用沙子中的主要成分涂覆一些罕见的东西(微小的钻石碎片)可能听起来很不寻常，但最终结果证明有许多有价值的应用。关键在于，没有人确切知道这两种材料是如何粘合的。

现在，圣何塞州立大学(SJSU)的研究人员在《ACSNanoscienceAu》杂志上报告称，钻石表面的醇化学基团有助于形成有效均匀的二氧化硅壳，这一结果可以帮助他们制造更好的二氧化硅涂层纳米金刚石(微型工具)其应用从癌细胞生物标记到量子传感。

借助美国能源部SLAC国家加速器实验室的斯坦福同步辐射光源(SSRL)产生的强大X射线，该团队揭示了这种键合机制。

“现在我们知道了这些更精细的细节——键合原理，而不仅仅是猜测——我们可以更好地探索新的金刚石混合系统，”该研究的首席研究员、SJSU教授亚伯拉罕·沃尔科特(AbrahamWolcott)说。

沃尔科特的大部分工作都与纳米金刚石有关，这种合成金刚石被粉碎成非常小的碎片，以至于需要40,000颗纳米金刚石才能跨越一根人类头发的宽度。理论上，纳米金刚石具有完美的碳晶格，但有时氮原子会潜入并取代缺失碳原子旁边的碳原子。从技术上讲，它是一个缺陷，但它很有用——该缺陷在室温下对磁场、电场和光做出反应，这意味着纳米金刚石有很多应用。

它们可以用作量子位，即量子计算机的基本单位。用绿光照射它们，它们会发出红光，因此生物学家可以将它们放入活细胞中并跟踪它们的移动。但科学家们无法轻易地对纳米金刚石进行编程使其到达他们想要的位置，而且金刚石边缘很尖，可能会破裂细胞膜。

用二氧化硅涂覆它们可以解决这两个问题。二氧化硅形成光滑、均匀的外壳，覆盖锋利的边缘。它还创建了一个可修改的表面，科学家可以用标签装饰该表面，以将粒子引导至特定细胞，例如癌细胞或神经元。“带有二氧化硅外壳的金刚石成为一个可控系统，”沃尔科特说。

但沃尔科特说，一段时间以来，科学家们对于这种外壳的形成方式一直存在分歧。他的团队表明，氢氧化铵和乙醇(通常包含在涂层过程中的化学物质)会在纳米金刚石表面产生许多醇基，而这些醇会促进壳的生长。

“十多年来没有人能够解释它，”沃尔科特说，“但我们能够梳理出这些信息。”

在美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室分子铸造厂用透射电子显微镜研究了这些颗粒后，研究人员向纳米金刚石发射SSRLX射线，以探索隐藏在二氧化硅涂层下方的表面。

SSRL的过渡边缘传感器是一种超灵敏温度计，可收集温度变化并将其转换为X射线能量，揭示纳米金刚石表面存在哪些化学基团。

使用第二种技术——X射线吸收光谱(XAS)——该团队在纳米金刚石表面产生移动电子，然后在它们穿过二氧化硅壳并逃逸时捕获它们。涂层越厚，到达表面的电子就越​​少。这些信号就像一个微小的卷尺，以纳米尺度显示二氧化硅涂层的厚度。

“XAS很强大，因为你可以检测到水下、隐藏的东西，比如二氧化硅外壳下的钻石，”沃尔科特说。“人们以前从未用纳米金刚石做过这样的事情，所以除了弄清楚键合机制之外，我们还证明XAS对材料科学家和化学家很有用。”

沃尔科特以提供实践研究机会而闻名，未来他希望让学生们从事用其他材料涂覆纳米金刚石的工作。例如，钛、锌和其他金属氧化物可以为量子传感和生物标记应用开辟新途径。

“纳米金刚石是令人难以置信的微型工具，可以立即应用，”生物医学工程博士凯伦·洛佩兹(KarenLopez)说。加州大学欧文分校的学生，与SJSU的其他作者一样，他在本科时就参与了这项研究。“现在我们了解了二氧化硅壳的形成方式，我们可以开始优化它并扩展到其他类型的材料。”

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