La produzione di nanodiamanti quantistici potrebbe compiere un salto epocale grazie a una tecnica rivoluzionaria che riduce i tempi di produzione da settimane a pochi minuti. Un gruppo internazionale di ricercatori guidato dal dottor Petr Cígler dell'Istituto di chimica organica e biochimica di Praga ha messo a punto un metodo che non solo accelera drammaticamente il processo, ma migliora anche la qualità del materiale ottenuto. Si tratta di un progresso che potrebbe aprire la strada alla produzione industriale di questi materiali dalle straordinarie proprietà ottiche e quantistiche.
I nanodiamanti quantistici sono particelle microscopiche, più piccole di un virus, che stanno rivoluzionando la diagnostica avanzata. Grazie a una particolare struttura interna chiamata centro NV (nitrogen-vacancy), composta da un atomo di azoto adiacente a uno spazio vuoto nel reticolo cristallino del diamante, questi materiali sono in grado di funzionare come sensori estremamente sensibili. Quando vengono illuminati emettono luce fluorescente, la cui intensità e temporizzazione variano in base alle condizioni ambientali circostanti, permettendo di rilevare singole molecole o misurare la temperatura all'interno delle cellule.
Il metodo tradizionale per creare questi centri quantistici nei nanodiamanti era estremamente laborioso e dispendioso. La polvere di diamante doveva essere irradiata per due settimane con un fascio di particelle cariche prodotto da acceleratori di particelle costosi, per poi essere sottoposta a un processo di ricottura ad alta temperatura. L'intero ciclo permetteva di ottenere meno di un grammo di materiale utilizzabile, rendendo la produzione su larga scala praticamente impossibile.
La nuova procedura, denominata PTQ (Pressure and Temperature Qubits), ribalta completamente questo scenario. Il processo dura appena quattro minuti e replica le condizioni estreme presenti nel mantello terrestre, dove si formano i diamanti naturali. La polvere di diamante viene inserita in una pressa che genera pressioni e temperature elevatissime, favorendo la formazione dei centri quantistici all'interno delle nanoparticelle.
Un elemento sorprendentemente semplice rende possibile il processo: il sale da cucina comune. Aggiunto alla polvere di diamante, il sale si fonde durante il riscaldamento creando un ambiente protettivo che impedisce alle particelle di fondersi insieme. Al termine del processo, basta rimuoverlo con acqua per ottenere un materiale puro e luminescente. Come spiega il dottor Michal Gulka, ricercatore post-dottorato nel gruppo di Cígler e primo autore dello studio, l'accelerazione rispetto alla procedura standard è superiore a mille volte, permettendo di produrre chilogrammi di materiale invece di quantità infinitesimali.
I vantaggi della nuova tecnica non si limitano alla velocità di produzione. I nanodiamanti ottenuti attraverso il metodo PTQ presentano proprietà ottiche e quantistiche migliorate rispetto a quelli prodotti con le tecniche convenzionali. La deformazione plastica indotta dalle condizioni estreme di pressione e temperatura non solo crea i centri NV che emettono luce rossa, ma genera anche centri H3 che emettono luce verde. Inoltre, il processo ripara il reticolo cristallino del diamante, risultando in particelle con uno stato di carica più stabile, un contrasto di risonanza magnetica superiore e proprietà di spin migliorate.
Queste caratteristiche potenziate consentono misurazioni più sensibili e accurate, aprendo prospettive applicative significative in diversi ambiti. Dalla diagnostica medica di precisione ai rilevatori molecolari locali basati su principi di risonanza magnetica, le possibilità sono molteplici. I nanodiamanti quantistici possono misurare campi magnetici, cariche elettriche e temperature con una precisione senza precedenti, risultando preziosi per la ricerca biomedica e per applicazioni tecnologiche avanzate.
L'interesse commerciale per questa innovazione è già concreto. MegaDiamond, azienda americana che ha contribuito in modo significativo al progetto, sta pianificando l'avvio della produzione industriale di questi nanosensori. La possibilità di produrre grandi quantità di nanodiamanti di alta qualità con centri NV a costi contenuti potrebbe democratizzare l'accesso a questa tecnologia, rendendola disponibile a laboratori e aziende in tutto il mondo.
Il dottor Cígler sottolinea come il nuovo metodo possa rappresentare una svolta per lo sviluppo di tecnologie innovative. L'accessibilità a nanodiamanti quantistici di qualità superiore in quantità significative potrebbe accelerare la ricerca in numerosi settori, dalla medicina alla fisica quantistica, fino alle applicazioni industriali che richiedono sensori ultrasensibili. La ricerca, pubblicata sulla rivista Advanced Functional Materials, rappresenta un esempio di come la scienza fondamentale possa tradursi rapidamente in applicazioni pratiche con impatti potenzialmente trasformativi.