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。對亞伯拉罕-沃爾科特來說，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個納米鉆石可以跨越人類頭發(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，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它們。簡而言之，它們的化學(xué)特性使它們在各種應(yīng)用中都很有價值，從蛋白質(zhì)合成的實時檢測到量子計算，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，但沃爾科特對其他元素在他的納米鉆石內(nèi)外的作用更感興趣。

       他說，當(dāng)?shù)颖焕г阢@石的碳晶格中時，這種雜質(zhì)會在碳原子應(yīng)該出現(xiàn)的地方產(chǎn)生一個開放點，稱為氮空位中心。當(dāng)這個中心被綠光照射時，它會發(fā)出紅光，然后研究人員可以依靠這種光芒來追蹤納米鉆石在整個生物體內(nèi)的移動。

       但是，無論它們是在血液中還是在光纜中流動，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，而這正是實驗室的大部分精力所在。

       SSRL的過渡邊緣傳感器（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，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)基團附著在納米鉆石的表面。今年早些時候，他們在《物理化學(xué)快報》上發(fā)表了一篇關(guān)于開發(fā)一個穩(wěn)定的化學(xué)反應(yīng)的論文，通過首先用化學(xué)方法將溴原子哄騙到納米金剛石的表面，將被稱為胺的含氮化學(xué)基團附著到納米金剛石的表面。研究人員說，這些發(fā)現(xiàn)對研究生物系統(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)用申請了專利。

       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)成了一個潛在的后勤挑戰(zhàn)，因為本科生一般都忙于上課，不需要全職在實驗室。然而，她說清晰的溝通是團隊的關(guān)鍵。學(xué)生們相互協(xié)調(diào)他們的時間表，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測試他們的反應(yīng)是否成功。為此，他們把經(jīng)過化學(xué)處理的納米金剛石帶到能源部的SLAC國家加速器實驗室的斯坦福同步輻射光源（SSRL）。

       同步輻射光源就像一個"生產(chǎn)高強度X射線束的大工廠"，工作人員李相俊說。當(dāng)電子匆匆通過同步加速器的存儲環(huán)時，超強的磁鐵導(dǎo)致粒子束擺動，產(chǎn)生強大的X射線，被輸送到每條光束線的實驗站。在10-1號光束線，一個被稱為過渡邊緣傳感器（TES）的儀器以精細(xì)的分辨率測量從實驗樣品中出來的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可以檢測到鉆石表面存在哪些化學(xué)基團。