 |
Tracing peculiar diamond nanostructures
|
Help 
Print 
|
Here you can view and search the projects funded by NKFI since 2004
Back »
|
| |
Details of project |
|
|
| Identifier |
126502 |
| Type |
KH |
| Principal investigator |
Németh, Péter |
| Title in Hungarian |
Különleges gyémánt nanoszerkezetek nyomában |
| Title in English |
Tracing peculiar diamond nanostructures |
| Keywords in Hungarian |
gyémánt, különleges nanoszerkezetek |
| Keywords in English |
diamond, peculiar nanostructures |
| Discipline |
| Structural Determination Methods (Council of Physical Sciences) | 34 % | | Material Science and Technology (chemistry) (Council of Physical Sciences) | 33 % | | Mineralogy, Petrology (Council of Complex Environmental Sciences) | 33 % | | Ortelius classification: Mineralogy |
|
| Panel |
Chemistry 1 |
| Department or equivalent |
Institute of Materials and Environmental Chemistry (Research Center of Natural Sciences) |
| Participants |
Bertóti, Imre
Bódis, Eszter
Borossáné Tóth, Sára
Fogarassy, Zsolt
Koós, Margit
Mohai, Miklós
Veres, Miklós
|
| Starting date |
2017-12-01 |
| Closing date |
2020-11-30 |
| Funding (in million HUF) |
19.948 |
| FTE (full time equivalent) |
4.37 |
| state |
closed project |
Summary in Hungarian A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.
A gyémánt nanokristályok keménysége és kopási ellenállósága nagy, kémiailag inertek és ígéretes gyógyszerhordozók. Egyedi lehetőségeik kihasználása viszont csak akkor lehetséges, ha részletesen megismerjük szerkezeti sajátosságaikat. Irodalmi adatok szerint ezek az anyagok számos komplex - a közönséges gyémánttól eltérő - polimorfból állnak, melyekhez kivételes fizikai tulajdonságok (extrém keménység, nagy sűrűség, jó elektromos vezetőképesség) társulnak. A polimorfok meteoritokból is ismertek és üledékekben való megjelenésüket aszteroida-becsapódás, valamint hozzá kapcsolódó tömeges kihalás jelzésére használják. A legismertebb polimorf a lonsdaleit (hexagonális gyémánt), amely különösen intenzív anyag- és földtudományi kutatás középpontjában áll. A típusanyag legkorszerűbb elektronmikroszkóppal végzett vizsgálata során azonban meglepő eredményre jutottunk: mérésünk szerint a lonsdaleit számos kulcsfontosságú szerkezeti sajátossága gyémánthibákkal magyarázható (Németh és tsa. 2014). Új eredményeink nemcsak megkérdőjelezték a korábbi értelmezéseket, hanem egy olyan hibákban bővelkedő különleges nanoszerkezet jelenlétére utaltak, amely nagymértékben befolyásolhatja az anyag tulajdonságait. Ennek a kutatásnak célkitűzése - az új eredményekre építve - hogy (1) megvizsgálja a természetes és mesterséges mintákban előforduló különleges gyémánt nanoszerkezeteket, (2) tisztázza szerkezeti kérdéseiket és tulajdonságaikat továbbá hogy (3) betekintést nyújtson a megjelenésükért felelős mechanizmusba. Várakozásunk szerint a kutatócsoportunk tagjainak sokoldalú szakértelme erősíteni fogja a fiatal kutatók képzését.
Mi a kutatás alapkérdése?
Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek.
A kutatást megalapozó kérdések: (1) Mi a helyes magyarázata azoknak az egykristály gyémánttal nem összeegyeztethető sajátosságoknak (például diffrakciós reflexiók), amelyeket gyémánt polimorfokhoz rendelnek? (2) Hogyan befolyásolják ezek a sajátosságok a gyémánt tulajdonságait? és (3) Megfeleltethetőek-e ezek a sajátosságok bizonyos keletkezési körülményeknek? Előzetes megfigyeléseink arra a hipotézisre vezettek, hogy a polimorfok számos különös sajátossága a gyémánt hibáival megmagyarázható, illetve hogy a hibák különleges nanoszerkezetet eredményeznek. Feltehetőleg azonban a gyémánthibák kizárólagosan nem szolgálnak magyarázatul az összes sajátosságra. Elképzelhető, hogy valamilyen eddig nem azonosított heteroatom jelenlétével is számolnunk kell. (1) Természetes és mesterséges anyagok komplex vizsgálatával (transzmissziós elektronmikroszkópia, szinkrotron röntgen diffrakció, röntgen fotoemissziós és Raman spektroszkópia, valamint csúcstechnológiás ultranagy felbontású elektronmikroszkópia) az a tervünk, hogy felfedjük a gyémánt nanokristályok szerkezetét. A különleges sajátosságok származhatnak különböző gyémánt polimorfoktól, hibák vagy heteroatom jelenlététől, melyek befolyásolhatják a tömbi gyémánt tulajdonságait. (2) Természetes eredetű és mesterségesen előállított anyagok Raman vizsgálatával megvizsgáljuk a különböző gyémánt polimorfok jelenlétét és azok hibaszerkezetét. (3) Célunk, hogy természetes és mesterséges gyémánt nanokristályok jellemzőinek összehasonlításával fényt derítsünk a természetes minták képződési körülményeire.
Mi a kutatás jelentősége?
Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának!
A gyémánt nanokristályokat egyedi szerkezetük és jellemzőik teszik alkalmassá arra, hogy a műszaki, valamint a természet- és orvostudomány területén hasznosíthatóak legyenek. Kémiai inertségük és felületi funkcionalizálhatóságuk széles lehetőségeket nyújt ezen anyagok bio-orvostudományi alkalmazásában, különösen a nanokészítmények és gyógyszerhordozók területén. Az elmúlt évtizedekben számos új, komplex gyémántpolimorfot írtak le, ráirányítva az anyagtudósok figyelmét ezen anyagok egyedi jellemzőjére, érdekes tulajdonságaira (kivételes keménység és sűrűség) és lehetséges technológiai alkalmazására, mint például kemény és ellenálló bevonatok, illetve nagysűrűségű anyagok. Néhány polimorfot meteoritokból is azonosítottak és felhasználtak a bolygókutatásban, mint meteor-becsapódás és hozzá köthető tömeges kihalás jelzőjeként. Tervünk, hogy értelmezzük a mesterséges és természetes eredetű gyémánt nanokristályok szerkezeti komplexitását és tisztázzuk a polimorfok létezését, szerkezetét és tulajdonságait. A pályázat különlegességei a tervezett (1) különleges gyémánt nanoszerkezetek részletes vizsgálata természetes és mesterséges mintákban, (2) gyémánt nanokristályok előállítása extrém körülmények (mikrohullámú plazmával, femtoszekundumos lézerrel) között, (3) komplex anyagjellemzés, többek között olyan korszerű készülékekkel, mint az ultranagy felbontású TEM, (4) különleges gyémántok atomi kötésszerkezetének jellemzése és (5) együttműködés a tématerület vezető kutatóival. A pályázat további erőssége a kutatócsoport tagjainak sokoldalú szakértelme a szilárdtest fizikában, plazmaszintézisben, ásványtanban, kristálytanban és anyagtudományban.
A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára
Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média, illetve az érdeklődők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI Hivatal számára.
A pályázat célkitűzése a gyémánt nanokristályok szerkezetének és tulajdonságainak többoldalú tanulmányozása. Ezek az anyagok - köszönhetően nagy keménységüknek, szilárdságuknak és kopási ellenállóságuknak - különféle alkalmazásokhoz készülnek, mint amilyenek a kemény és ellenálló bevonatok, csiszolópapírok és motorolaj adalékok. Ígéretes nanoanyagok, mint gyógyszerhordozók, ezért felhasználhatók orvosi kezelésekben, különös tekintettel a rákgyógyászatban. A tömbi gyémánttól eltérő gyémánt nanokristályok egyedi szerkezete olyan mechanikai és fizikai tulajdonságokat eredményez, amelyek alapvetően befolyásolhatják felhasználhatóságukat. Irodalmi adatok arra utalnak, hogy a nanokristályok egy részének kivételes jellemzői vannak, mint nagy keménység és sűrűség, illetve jó vezetőképesség. Ha ezek a tulajdonságok igazolhatók, új technológiai alkalmazásokhoz vezethetnek. Tervünk, hogy tisztázzuk a mesterséges gyémánt nanokristályok szerkezetét és tulajdonságait azért, hogy optimalizálhassuk felhasználásukat. Pályázatunk egyik fő célkitűzése olyan különleges nanoszerkezetek viszgálata, amelyek alkalmasak lehetnek anyagtudományi alkalmazásokban. Gyémánt nanokristályok megtalálhatók meteoritokban, valamint– meteor-becsapódáshoz köthető - üledékes rétegekben. Ilyen becsapódások váratlan környezeti változásokat okozhatnak, amik irodalmi adatok szerint magyarázatul szolgálhatnak például a dinoszauruszok és mamutok tömeges kihalásához. Célkitűzésünk, hogy fényt derítsünk a természetes nanogyémántok keletkezési körülményeire és közelebb kerüljünk a földi és kozmikus becsapódások során fellépő folyamatok megértéséhez.
| Summary Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
Diamond nanocrystals possess high hardness and wear resistance; they are chemically inert and are promising nanomaterials for drug delivery. However, harnessing their unique potential requires a detailed knowledge of their structures. Literature reports suggest they include a range of complex diamond polymorphs, which possess structural features, not present in ordinary diamond and are attributed to outstanding physical properties (e.g., extreme hardness, high density and electrical conductivity). The polymorphs have been reported from meteorites and their occurrence in sediments is used as an indicator of asteroidal impact on Earth and linked to mass extinctions. The best-known polymorph is lonsdaleite (hexagonal diamond), which has received particular intense material- and geosciences attention. However, our state-of-the-art electron microscopy measurement of the type specimen resulted in surprising results. It showed that a number of key structural features of the polymorph can be interpreted as diamond with defects (Németh et al. 2014). The new measurement not only questioned previous interpretations of lonsdaleite but indicated a peculiar nanostructure with abundant defects, which can greatly influence the properties of the material. This research builds on the new findings and aids to (1) investigate unusual diamond nanostructures in natural and synthetic samples, (2) elucidate their structural details and properties as well as (3) provide insights into the mechanism that is responsible for their occurrence. We expect the diverse expertise of the team members will be particularly beneficial for the training of young scientists.
What is the major research question?
Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments.
The underlying questions of this proposal are: (1) What is the interpretation of the features (e.g., reflections) that are incompatible with single crystal diamond and are attributed to diamond polymorphs? (2) How do these features influence the properties of diamond? and (3) Can they be linked to specific formation conditions? Our observations led to the hypothesis that defects play a central role for understanding the unusual features of the polymorphs and are responsible for the formation of the peculiar diamond nanostructures. However, defects alone may not explain all the features. It is plausible, that some kind of heteroatom is involved in the nanostructures. We propose to (1) investigate various synthetic and natural diamond nanocrystals with a range of methods (transmission electron microscopy, synchrotron X-ray diffraction, X-ray photoemission and Raman spectroscopy as well as state-of-the-art TEM) in order to elucidate the structural complexity of diamond nanocrystals. Regardless of whether the unusual features result from diamond polymorphs, defects or heteroatoms, they likely influence the properties of the bulk diamond. By investigating natural and synthetic samples using Raman spectroscopy, our goal is to (2) investigate the occurrence of different diamond polymorphs and their defect structures By comparing the characteristics of natural and synthetic samples, our goal is to (3) provide insight into the formation conditions of natural diamond nanocrystals.
What is the significance of the research?
Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field.
The unique structures and characteristics of diamond nanocrystals are used in natural and physical sciences as well as in medicine. Chemical inertness and facile surface functionalization offer wide possibilities for applications in biomedical research, with special attention to nanofabrication and drug delivery. In the last decades a range of new complex diamond polymorphs have been identified based on unusual features (e.g., extra reflections). These polymorphs are in the focus of material scientists because of their unique characteristics (outstanding hardness and density) and potential for advanced technological applications such as hard and resistive coatings. The polymorphs have been reported from meteorites and used in the planetary sciences as indicators of asteroidal impacts, some have been linked to mass extinctions. We plan to elucidate the structural complexity of synthetic and natural diamond nanocrystals and resolve the ambiguities surrounding the occurrences, structures, and properties of the polymorphs. The uniqueness of this proposal is the planned (1) detailed investigation of peculiar diamond nanostructures in natural and synthetic samples, (2) diamond nanocrystal syntheses in extreme conditions (using microwave plasma, femtosecond laser pulses), (3) multi-analytical characterization including state-of-the-art instruments such as ultrahigh-resolution TEM, (4) atomic bonding structure characterization of peculiar diamonds and (5) collaboration with leading experts of the research field. Further strength of this project is that the team members have diverse expertise on solid state physics, plasma synthesis, mineralogy, crystallography and material science.
Summary and aims of the research for the public
Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NRDI Office in order to inform decision-makers, media, and others.
The goal of this research proposal is to study the structure and properties of diamond nanocrystals. These materials are synthesized for various applications, including hard and resistant coatings, grinding grits, and additives in engine motor oils, because of their exceptional hardness, strength, and wear resistance. They are also promising nanomaterials for drug delivery and as such can be used in medical treatments, with an emphasis on cancer therapy. The unique structure of diamond nanocrystals, different than bulk diamond, results in exceptional mechanical and physical properties that could profoundly influence their use. Literature data suggests some nanocrystals have outstanding characteristics such as high hardness and density, good conductivity. If these properties can be verified, they could lead to new technological applications. We plan to elucidate the structures and properties of synthetic diamond nanocrystals in order to maximize their utility. In particular, we aim to investigate peculiar nanostructures that could be attractive for material science applications. Diamond nanocrystals occur in some meteorites and have been reported from certain sediment layers that can be linked to asteroidal impacts. Such impacts can cause abrupt environmental consequences that have been used to explain major mass extinctions such as the dinosaurs or the mammoths. We aim to provide insights into the formation conditions of natural diamond nanocrystals and better understand shock processes during terrestrial and cosmic impacts.
|
|
|
|
|
|
|
|
| |
List of publications |
|
|
| Németh Péter, McColl Kit, Smith Rachael L., Murri Mara, Garvie Laurence A. J., Alvaro Matteo, Pécz Béla, Jones Adrian P., Corà Furio, Salzmann Christoph G., McMillan Paul F.: Diamond-Graphene Composite Nanostructures, NANO LETTERS 20: (5) pp. 3611-3619., 2020 | | Németh P., McColl K., Garvie L.A.J., Salzmann C.G., Murri M., McMillan P.F.: Complex nanostructures in diamond, NATURE MATERIALS 19: pp. 1126-1131., 2020 | | Németh Péter, Garvie Laurence A.J.: Extraterrestrial, shock-formed, cage-like nanostructured carbonaceous materials, AMERICAN MINERALOGIST 105: (2) pp. 276-281., 2020 | | Murri Mara, Smith Rachael L., McColl Kit, Hart Martin, Alvaro Matteo, Jones Adrian P., Nemeth Peter, Salzmann Christoph G., Cora Furio, Domeneghetti Maria C., Nestola Fabrizio, Sobolevv Nikolay, Vishnevsky Sergey A., Logyinova Alla M., McMillan Paul F.: Quantifying hexagonal stacking in diamond, SCIENTIFIC REPORTS 9: 10334, 2019 | | Bodis E, Cora I, Nemeth P, Tapaszto O, Mohai M, Toth S, Karoly Z, Szepvolgyi J: Toughening of silicon nitride ceramics by addition of multilayer graphene, CERAMICS INTERNATIONAL 45: (4) pp. 4810-4816., 2019 | | E. Bódis, I. Cora, P. Németh, O. Tapasztó, M. Mohai, S. Tóth, Z. Károly, J. Szépvölgyi: Toughening of silicon nitride ceramics by addition of multilayer graphene., Ceramics International, 2018 | | S. Tóth, P. Németh, L. A. J. Garvie, M. Veres and M. Koós: Nanodiamond with average grain size of 3-4 nm prepared by femtosecond laser pulses, 29th International Conference on Diamond and Carbon Materials, 2-6. September, 2018 | | S. Tóth, M. N. Pál, L. Himics, M. Veres and M. Koós: Spectral characteristics of Raman scattering measured on artificial and meteoritic diamond nanocrystals, 15th International Conference on Nanosciences & Nanotechnologies (NN18), 2018 | | Németh P, Tóth S, Koós M, Jones AP, McMillan P , Miller T, McGilvery C, Salzmann CG, Alvaro M, Murri M, Nestola F, Garvie LAJ: Peculiar graphite-diamond grains in the impact-produced Popigai sample., Annual Meeting of HSM, Siófok, May 24-26, 2018 | | Németh P, Tóth S, Garvie LAJ, Jones AP, McMillan P: Extrém körülmények különleges gyémántszerkezetei., 13. Téli Ásványtudományi Iskola. Veszprém, 2018 | | P. Németh, L.A.J. Garvie: Extraterrestrial, shock-formed, cage-like nanostructured carbonaceous materials, American Mineralogist, https://doi.org/10.2138/am-2019-7305, 2020 | | Murri, M., Smith, R.L., McColl, K., Hart, M., Alvaro, M., Jones, A.P., Németh, P., Salzmann, C.H., Corá, F., Domeneghetti, M.C., Nestola, F., Sobolev, N.V., Vishnevsky, S.A., Logvinova, A.M., and McMillan, P.F.: Quantifying hexagonal stacking in diamond, Scientific Reports 9, 10334, 2019 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
