Diamanten zijn gewilde objecten voor verlovingsringen en andere sieraden. En doordat diamant op microscopische schaal elastisch kan zijn, is de edelsteen ook te gebruiken in micro-elektronica.
Diamant is het hardste materiaal dat in de natuur is te vinden. Daarom is het naast een pronkstuk ook een werkpaard met industriële toepassingen. Het wordt bijvoorbeeld gebruikt om mee te snijden, boren en slijpen.
Daarbij staat diamant bekend als een materiaal dat breekt voordat het buigt. ‘In 2018 ontdekten we echter, verrassend genoeg, dat naalden van diamant op nanoschaal wel elastisch kunnen worden gebogen’, mailt Yang Lu van de City University of Hong Kong. Na de ombuiging keert het materiaal terug naar de oorspronkelijke vorm, zonder blijvende schade.
Deze ontdekking veranderde het idee dat mensen hadden over diamant als hardste materiaal. De elastische mogelijkheden zijn nu verder onderzocht door de onderzoeksgroep van Lu.
Diamant in de elektronica
De interesse voor diamanten in de elektronica en fotonica (waarbij licht wordt gebruikt in plaats van elektronen) komt voort uit een paar nuttige eigenschappen. Zo heeft de edelsteen een hoge thermische geleidbaarheid. Daardoor voert hij warmte snel af en is er minder koeling nodig. Nuttig, want oververhitte computers en hoge kosten voor koelsystemen zijn een groeiend probleem.
Verder is de elektrische geleidbaarheid van diamant goed en kan het materiaal hoge elektrische spanningen aan. ‘Dankzij al die uitstekende eigenschappen, en de efficiëntie ervan, kun je diamant beschouwen als de ‘Mount Everest’ van de elektronische materialen’, zegt Lu
Maar er is een nadeel. Het is lastig om de elektronische eigenschappen van diamant aan te passen. En dat is wel noodzakelijk als je het materiaal goed wilt afstemmen op toepassingen in de elektronica en de fotonica.
Opgerekte bruggetje
Een manier om de elektromagnetische eigenschappen van een materiaal te veranderen is door er – simpel gezegd – hard aan te trekken. Hierdoor verandert de atomaire structuur net genoeg om de eigenschappen te tweaken. ‘Deze methode werd onmogelijk geacht voor diamant, omdat diamant zo hard is’, zegt Lu.
De onderzoekers kregen het toch voor elkaar met microscopisch kleine stukjes, van 0,3 bij 1 micrometer. Deze testobjectjes zien eruit als een soort bruggen: aan beide uiteinden zit een verbreding waaraan ze vastgepakt kunnen worden.
De onderzoekers rekten deze diamanten bruggetjes op door aan de uiteinden te trekken. Hierbij rekten ze ongeveer 7,5 procent uit, over de gehele lengte van het materiaal. Zodra ze werden losgelaten, keerden de bruggetjes terug naar hun oorspronkelijke vorm.
Nieuw tijdperk
Lu: ‘We hebben hierbij ook aangetoond dat we de eigenschappen kunnen veranderen door het materiaal op te rekken. En dat die veranderingen omkeerbaar zijn door de rek van het materiaal af te halen. Dit maakt verschillende toepassingen mogelijk.’ Zo kun je een rijtje van deze bruggetjes gebruiken in micro-elektronica.
‘Er is nog meer onderzoek nodig voordat we opgerekte diamanten zien in micro-elektronica’, zegt Lu. Maar dit onderzoek is een eerste stap. ‘Wij geloven dat er een nieuw tijdperk voor diamant voor ons ligt.’
