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Des scientifiques ont révélé le mécanisme chimique derrière les nanodiamants recouverts de silice
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Les capteurs de rayons X et de transition de SSRL révèlent des informations sur les diamants de taille nanométrique cachés sous la couche de silice. Les électrons irradiés s’échappent de la surface du nanodiamant, traversent la silice et sont collectés sous forme de signaux. Plus le revêtement est épais, moins les électrons atteignent la surface. Comprendre la chimie des couches de silice aidera les chercheurs à améliorer les coques de silice et à expérimenter d’autres matériaux comme revêtements, élargissant ainsi les applications des nanodiamants dans l’informatique quantique et le biomarquage. Crédit : Greg Stewart/Laboratoire national des accélérateurs du SLAC
Revêtir un objet rare – de minuscules éclats de diamant – avec le sable, l’ingrédient principal, peut sembler inhabituel, mais le résultat final s’avère avoir un certain nombre d’applications précieuses. Le problème est que personne ne sait avec certitude quel est le lien entre les deux substances.
Aujourd’hui, des chercheurs de l’Université d’État de San Jose (SJSU) rapportent dans la revue ACS Au Nanoscience Les groupes chimiques d’alcool à la surface du diamant sont responsables des coquilles de silice avantageusement uniformes, un résultat qui pourrait les aider à créer de meilleurs nanodiamants recouverts de silice, de minuscules outils avec des applications allant du biomarquage des cellules cancéreuses à la détection quantique.
L’équipe a révélé le mécanisme de liaison grâce aux puissants rayons X générés par la source de lumière à rayonnement synchrotron de Stanford (SSRL) du laboratoire national des accélérateurs SLAC du ministère de l’Énergie.
« Maintenant que nous connaissons ces détails plus fins – comment fonctionne la liaison plutôt que de simplement deviner – nous pouvons mieux explorer de nouveaux systèmes hybrides de diamants », déclare Abraham Woollcott, chercheur principal de l’étude et professeur au SJSU.
Une grande partie du travail de Woolcott concerne les nanodiamants, qui sont des diamants synthétiques qui se décomposent en morceaux si petits qu’il en faudrait 40 000 pour couvrir la largeur d’un seul cheveu humain. En théorie, les nanodiamants ont des réseaux de carbone parfaits, mais parfois un atome d’azote s’y infiltre et remplace l’atome de carbone à côté de l’atome de carbone manquant. Techniquement, c’est un défaut, mais il est utile, car le défaut réagit aux champs magnétiques, aux champs électriques et à la lumière, le tout à température ambiante, ce qui signifie que les nanodiamants ont de nombreuses applications.
Ils peuvent être utilisés comme qubits, unité de base d’un ordinateur quantique. Frappez-le avec une lumière verte et il brille en rouge afin que les biologistes puissent le mettre dans des cellules vivantes et le suivre à mesure qu’il se déplace. Mais les scientifiques ne peuvent pas facilement programmer les nanodiamants pour qu’ils aillent où ils veulent, car les bords des diamants sont pointus et peuvent briser les membranes cellulaires.
Le recouvrir de silice résout les deux problèmes. La silice forme une croûte lisse et uniforme qui recouvre les arêtes vives. Cela crée également une surface modifiable, que les scientifiques peuvent décorer avec des étiquettes pour diriger des molécules vers des cellules spécifiques, telles que des cellules cancéreuses ou des neurones. « Le diamant en coquille de silice devient un système contrôlable », a déclaré Woolcott.
Mais les scientifiques ont été en désaccord pendant un certain temps sur la façon dont cette coquille s’est formée, a déclaré Wolcott. Son équipe a montré que l’hydroxyde d’ammonium combiné à l’éthanol, des produits chimiques généralement inclus dans le processus de revêtement, produisent de nombreux groupes alcool à la surface du nanodiamant, et ces alcools facilitent la croissance de la coque.
« Personne n’a été capable de l’expliquer depuis plus de 10 ans, mais nous avons pu extraire cette information », a déclaré Woolcott.
Après avoir étudié les particules à l’aide de microscopes électroniques à transmission à la fonderie moléculaire du laboratoire national Lawrence Berkeley du ministère de l’Énergie, les chercheurs ont projeté des rayons X SSRL sur les nanodiamants pour explorer les surfaces cachées sous la couche de silice.
Le capteur de transition de SSRL, un thermomètre ultra-sensible qui collecte les changements de température et les convertit en énergies de rayons X, a révélé les groupes chimiques présents à la surface des nanodiamants.
En utilisant une deuxième technique – la spectroscopie d’absorption des rayons X (XAS) – l’équipe a généré des électrons en mouvement à la surface du nanodiamant, puis les a capturés alors qu’ils traversaient la coque de silice et s’échappaient. Plus le revêtement est épais, moins les électrons atteignent la surface. Les signaux étaient un petit ruban à mesurer, indiquant l’épaisseur de la couche de silice à l’échelle nanométrique.
« XAS est puissant car vous pouvez détecter quelque chose de submergé ou caché, comme un diamant sous une coquille de silice », a déclaré Woolcott. « Les gens n’ont jamais fait cela avec des nanodiamants auparavant, donc en plus de découvrir le mécanisme de liaison, nous avons également montré que le XAS est utile aux scientifiques des matériaux et aux chimistes. »
À l’avenir, Woolcott, connu pour offrir des opportunités de recherche pratique, souhaite que les étudiants travaillent sur le revêtement des nanodiamants avec d’autres matériaux. Par exemple, le titane, le zinc et d’autres oxydes métalliques peuvent ouvrir de nouveaux horizons dans les applications de détection quantitative et de biomarquage.
« Les nanodiamants sont des micro-outils étonnants avec des applications immédiates », a déclaré Karen Lopez, Ph.D., professeur de génie biomédical. étudiant à l’Université de Californie à Irvine, qui, comme les autres auteurs du SJSU, a travaillé sur l’étude en tant qu’étudiant de premier cycle. « Maintenant que nous comprenons comment se forme la croûte de silice, nous pouvons commencer à l’améliorer et à l’étendre à d’autres types de matériaux. »
Plus d’information:
Birla J. Sandoval et al., Diamants quantiques sur la plage : aperçus chimiques de la croissance de la silice sur les nanodiamants à l’aide de la caractérisation et de la simulation multimodales, ACS Au Nanoscience (2023). DOI : 10.1021/acsnanoscienceau.3c00033
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La perte de la Russie est le gain du Royaume-Uni pour le spectromètre infrarouge du rover martien
Le ministre de l’Espace, Andrew Griffiths, a annoncé qu’une équipe britannique avait reçu 10 millions de livres sterling pour remplacer les composants russes du rover, qui recherchera des signes de vie sur la planète rouge.
Plus précisément, le nouveau financement permettra à une équipe – dirigée par l’Université d’Aberystwyth – de construire le spectromètre infrarouge ExoMars (ISEM) afin que la mission puisse retrouver tout son potentiel scientifique.
Le projet, financé par un montant supplémentaire de 10,7 millions de livres sterling de l’Agence spatiale britannique et dirigé par l’Université d’Aberystwyth, comprendra :
L’université galloise travaillera avec la même équipe du Mullard Space Science Laboratory de l’University College London (UCL) qui a dirigé la conception et la construction du système de caméra panoramique du rover, PanCam. Le système identifiera les minéraux, permettant au rover de forer pour obtenir des échantillons à analyser par d’autres instruments embarqués.
La machine s’appelait Enfys, ce qui signifie « arc-en-ciel » en gallois.
« Il est passionnant d’améliorer la puissance scientifique des caméras visuelles grand angle et haute résolution PanCam tout en améliorant la reconnaissance des métaux dans l’infrarouge grâce à Enfys. » Il a dit Professeur Andrew Coates (Mullard Space Science Laboratory de l’University College de Londres), chercheur principal de PanCam sur le rover Rosalind Franklin. « Notre équipe est ravie d’appliquer l’expertise de PanCam à Enfys, pour l’environnement difficile de la surface martienne. Nous attendons avec impatience la science et les opérations conjointes avec Enfys. »
La PanCam est illustrée ci-dessous.
Le Dr Matt Gunn d’Aberystwyth a déclaré : « Nous avons beaucoup appris au cours du développement et des tests de PanCam, et c’est un grand honneur pour nous de diriger une fantastique équipe de personnes qui mettront à nouveau ces connaissances en pratique pour développer un nouvel outil pour la mission. » Université, chercheur principal à Enfys.
Le Dr Gunn est représenté ci-dessus avec le nouveau spectromètre infrarouge en cours de développement, aux côtés d’un modèle grandeur nature du rover Rosalind Franklin de l’Université d’Aberystwyth.
Construit au Royaume-Uni
A noter que le véhicule (photo) a en réalité été construit par Airbus, à Stevenage, pour le programme de l’Agence spatiale européenne. Son lancement était prévu en 2022 avant l’annulation de la coopération avec l’agence spatiale russe à la suite de l’invasion illégale de l’Ukraine.
Le Dr Paul Butt, directeur général de l’Agence spatiale britannique, a déclaré : « Le vaisseau spatial Rosalind Franklin, construit au Royaume-Uni, est véritablement une technologie de pointe aux frontières de l’exploration spatiale. » « Il est fantastique que des experts britanniques puissent également fournir un instrument clé pour cette mission, grâce au financement de l’Agence spatiale britannique.
« En plus de tirer parti de la technologie spatiale britannique de classe mondiale pour faire progresser notre compréhension de Mars et de sa capacité à héberger la vie, ce financement supplémentaire renforcera la collaboration au sein du secteur spatial et de l’économie britannique en croissance rapide. »
La dernière annonce porte l’investissement total du gouvernement dans Rosalind Franklin, par l’intermédiaire de l’Agence spatiale britannique, à 377 millions de livres sterling, a souligné le ministère britannique de la Science, de l’Innovation et de la Technologie (DSIT).
Le véhicule devait initialement être lancé en septembre 2022 depuis le Kazakhstan, mais la guerre ukraino-russe est intervenue.
Image : Université d’Aberystwyth/Équipe d’instruments Enfys
Voir également: Le rover Rosalind Franklin avance vers Mars en vue de son lancement en septembre
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L’étude a révélé que les minéraux et l’utilisation des terres déterminent le stockage du carbone dans le sol.
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Enterrez des récipients d’échantillons contenant des minéraux dans le sol. Crédit : Ingo Schoening, MPI-BGC
La séquestration du carbone dans le sol peut contribuer à l’atténuation du changement climatique, et la matière organique du sol liée aux minéraux possède la plus grande capacité à stocker le carbone. Une équipe de chercheurs, comprenant des scientifiques de l’Institut Max Planck de biogéochimie et de l’Université Martin Luther de Halle-Wittenberg, a évalué les facteurs qui contrôlent la matière organique liée aux minéraux.
leurs études, publié dans La biologie du changement globalIl montre que même si la quantité et le taux de leur formation sont principalement contrôlés par la composition minérale, l’utilisation des terres et l’intensité de la gestion influencent également la matière organique liée aux minéraux sur des échelles de temps courtes.
Le carbone organique du sol n’est pas seulement important pour la fertilité des sols et la production alimentaire, il joue également un rôle important dans le climat de la Terre puisqu’il représente environ 7 % du dioxyde de carbone présent dans l’atmosphère.2 Il circule dans le sol chaque année. Depuis les débuts de l’agriculture, les sols ont perdu d’importantes quantités de carbone dans l’atmosphère. Pour atténuer le changement climatique, nous devons comprendre comment éviter une perte supplémentaire de carbone et reconstituer les stocks de carbone du sol.
Lorsque le carbone organique du sol est lié aux minéraux, sa durée de survie et sa résistance aux perturbations sont accrues. La formation de matière organique associée aux minéraux (MAOM) est donc un processus essentiel dans le cycle global du carbone. Cependant, malgré des décennies de recherche, l’impact de la composition minérale et de l’intensité de la gestion des terres sur la formation de MAOM n’a pas été résolu.
Pour combler cette lacune dans la recherche, plus de 3 500 conteneurs perméables remplis de goethite sans carbone, un représentant de l’oxyde de fer du sol, ou d’illite, un représentant du minéral argileux silicaté, ont été enterrés dans 150 forêts et 150 prairies. Les sites sont situés dans les trois zones d’étude allemandes du programme prioritaire d’infrastructures « Explorations de la biodiversité ».
Après cinq ans d’incubation souterraine, une équipe de scientifiques dirigée par De Schorn Bramble de l’Institut Max Planck de biogéochimie (MPI-BGC) à Iéna et Susanne Ulrich de l’Université Martin Luther de Halle-Wittenberg (MLU) a analysé le contenu du conteneur. . Ils ont constaté que, quels que soient le type d’utilisation des terres et l’intensité de la gestion, quatre fois plus de carbone organique s’accumulait dans la goethite que dans l’illite. Ce résultat confirme que la composition minérale est essentielle pour contrôler le taux et la quantité de formation de MAOM dans le sol.
« Une grande partie de nos connaissances sur le rôle des oxydes et des argiles silicatées dans le stockage du carbone dans le sol provient d’études en laboratoire », explique Susan. « Étant donné que ces deux groupes de minéraux interagissent dans les sols naturels, la différenciation directe de leurs rôles individuels dans la formation de MAOM n’est pas possible. .» Ulrich, Ph.D. Candidat à MLU.
« Notre configuration expérimentale nous a permis pour la première fois de comparer directement le potentiel de stockage de carbone de ces deux groupes minéraux dans des conditions de terrain. Nos résultats montrent que ce ne sont pas les propriétés de surface qui déterminent la formation de MAOM, car les oxydes ont une surface beaucoup plus grande. Le potentiel de stockage de carbone des minéraux argileux silicatés. » »
En raison du long temps de séjour du carbone dans les minéraux, la formation de MAOM était considérée comme relativement insensible à l’utilisation et à la gestion des terres sur des échelles de temps inférieures à plusieurs décennies. Cependant, les chercheurs ont noté dans leur étude que la formation de MAOM dans les forêts était réduite par l’intensité de la récolte et était modifiée par la sélection des espèces d’arbres. Dans les prairies, la productivité végétale ainsi que la diversité végétale ont augmenté la formation de MAOM. La productivité et la diversité végétales étaient affectées par la fertilisation, car la fertilisation augmentait la productivité végétale mais réduisait la diversité végétale.
De Schorn Bramble, candidat au doctorat au MPI-BGC explique ces nouveaux résultats contrastés : « Nous avons observé des effets significatifs de l’utilisation et de la gestion des terres sur la formation de MAOM après avoir exposé des minéraux sans carbone pendant seulement cinq ans aux conditions ambiantes du sol. Ces changements sont il est également probable qu’elle se produise dans les sols naturels. » Mais elle peut être difficile à détecter à l’aide des méthodes de mesure traditionnelles. « Nos résultats et notre approche expérimentale peuvent donc être importants pour prédire comment MAOM réagira aux activités humaines. »
Il note que même si la composition minérale détermine le potentiel de stockage du carbone dans le sol, l’utilisation des terres affecte la mesure dans laquelle ce potentiel est réalisé. Par conséquent, il est important de mieux comprendre comment la productivité des plantes, la qualité des apports organiques et la communauté des décomposeurs interagissent dans la formation de MAOM dans le sol sous différentes gestions.
Plus d’information:
De Shorn E. Bramble et al, La composition de la matière organique liée aux métaux dans les sols tempérés est principalement contrôlée par le type de métal et est modifiée par l’utilisation des terres et l’intensité de la gestion, La biologie du changement global (2023). est ce que je: 10.1111/gcb.17024
Informations sur les magazines :
La biologie du changement global
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Une nouvelle étude suggère que le changement climatique provoqué par des éruptions volcaniques massives pourrait avoir finalement ouvert la voie à l’extinction des dinosaures.
Les découvertes remettent en question le récit traditionnel selon lequel seule une météorite tombant sur Terre a porté le coup final aux anciens géants.
Pour étudier dans Avancement de la science, des chercheurs de l’Université McGill ont étudié les éruptions volcaniques dans les pièges du Deccan – un vaste plateau accidenté de l’ouest de l’Inde formé de lave en fusion. Son éruption de 1 million de kilomètres cubes de roche pourrait avoir joué un rôle majeur dans le refroidissement du climat mondial il y a environ 65 millions d’années.
Ce travail a mobilisé des chercheurs du monde entier, depuis le martelage de roches dans les pièges du Deccan jusqu’à l’analyse d’échantillons en Angleterre et en Suède.
En laboratoire, les scientifiques ont estimé la quantité de soufre et de fluor injectée dans l’atmosphère par les éruptions volcaniques massives au cours des 200 000 années précédant l’extinction des dinosaures.
Remarquablement, ils ont découvert que la libération de soufre pourrait entraîner une baisse globale des températures dans le monde, un phénomène connu sous le nom d’hiver volcanique.
«Nos recherches montrent que les conditions climatiques étaient presque certainement instables, avec des hivers volcaniques fréquents qui auraient pu durer des décennies avant l’extinction des dinosaures», explique Don Baker, professeur au Département des sciences de la Terre et des planètes de l’Université McGill.
« Cette instabilité aurait pu rendre la vie difficile à toutes les plantes et à tous les animaux et ouvrir la voie à un événement d’extinction des dinosaures. Nos travaux contribuent donc à expliquer cet événement d’extinction majeur qui a conduit à l’émergence des mammifères et à l’évolution de notre espèce. »
Découvrir les indices contenus dans des échantillons de roches anciennes n’a pas été une tâche facile. En fait, une nouvelle technique développée à McGill a aidé à déchiffrer l’histoire volcanique.
La technologie permettant d’estimer les émissions de soufre et de fluor – un mélange complexe de chimie et d’expériences – s’apparente un peu à la cuisson des pâtes.
« Imaginez faire des pâtes à la maison. Vous faites bouillir de l’eau, ajoutez du sel, puis les pâtes. Une partie du sel de l’eau entre dans les pâtes, mais pas beaucoup », explique Baker.
De même, certains éléments restent piégés dans les minéraux lorsqu’ils refroidissent après une éruption volcanique. Tout comme vous pouvez calculer les concentrations de sel dans l’eau dans laquelle les pâtes sont cuites en analysant le sel contenu dans les pâtes elles-mêmes, la nouvelle technique a permis aux scientifiques de mesurer le soufre et le fluor dans des échantillons de roche. Grâce à ces informations, les scientifiques ont pu calculer la quantité de ces gaz émis lors des explosions.
Les résultats représentent un pas en avant dans la reconstitution des anciens secrets de la Terre et ouvrent la voie à une approche plus éclairée du changement climatique.
source: université McGill
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