纳米金刚石是一类尺寸仅为数纳米的金刚石颗粒。凭借优异的化学稳定性，以及能够容纳发光色心（Color Center）等特殊晶体缺陷结构，被认为是量子信息、精密传感、生物成像和医学研究等前沿领域的重要候选材料。

然而，长期以来，高品质纳米金刚石的制备始终面临挑战。传统方法通常采用机械研磨或其他“自上而下”（Top-down）的工艺，将块体金刚石逐步粉碎至纳米尺度。这类方法不仅难以精确控制颗粒尺寸和形貌，还容易引入杂质和晶格缺陷，限制了其在高端量子器件中的应用。

近日，德国马克斯·普朗克高分子研究所在《Nature》发表最新研究成果，提出了一种全新的“自下而上”（Bottom-up）纳米金刚石合成策略，为定制化、高品质纳米金刚石制备提供了新路径。

从分子开始“长出”纳米金刚石

与传统粉碎大颗粒金刚石不同，研究团队选择从具有精确分子结构的纳米石墨烯出发——在高温高压条件下，这些平面碳分子能够直接转变为高度结晶的类金刚石纳米结构，从而实现纳米金刚石的原位生长。

研究人员表示，这种方法最大的优势在于能够从分子层面精准调控材料结构。由于前驱体分子的尺寸、组成和化学结构均经过精确设计，因此最终获得的纳米金刚石在尺寸均一性和结构可控性方面显著优于传统工艺。实验结果显示，该方法成功制备出尺寸约为3～4纳米的超小型纳米金刚石，且颗粒分布高度均匀。

色心同步构筑，无需后续处理

对于量子技术而言，纳米金刚石最重要的价值之一在于其内部的色心结构。色心本质上是金刚石晶格中的特殊缺陷，可作为单光子发射源，是量子通信、量子计算和量子传感的重要基础。

目前，常见的色心制备方式通常需要在金刚石形成后，再通过离子注入、辐照处理以及高温退火等复杂工艺引入特定元素，不仅制造成本高，也容易对晶格结构造成损伤。而在此次研究中，科研人员通过设计特定分子前驱体，实现了硅和锗色心在纳米金刚石形成过程中的同步构筑，不仅简化了工艺流程，也为未来按需设计量子发光材料提供了新的可能。

面向量子技术与生物医学应用

研究团队认为，该平台有望成为下一代量子纳米材料开发的重要基础。一方面，这些高度可控的纳米金刚石可作为稳定的单光子发射源，用于量子通信和集成光子器件；另一方面，其内部色心对温度、磁场和电场等环境变化极为敏感，因此也适合作为纳米级量子传感器。

除了量子领域，纳米金刚石在生命科学中的应用同样值得关注。由于其良好的生物相容性和稳定荧光特性，未来有望作为高可靠性的光学示踪材料，用于细胞活动监测、疾病诊断以及生物体内微观过程的实时观察。

粉体圈Coco编译