Наноалмазы - Nanodiamond
Наноалмазы или наночастицы алмаза - это алмазы размером менее 1 микрометра . Они могут быть вызваны ударными явлениями, такими как взрыв или удары метеорита. Из-за их недорогого крупномасштабного синтеза, потенциала функционализации поверхности и высокой биосовместимости наноалмазы широко исследуются как потенциальный материал в биологических и электронных приложениях, а также в квантовой инженерии .
История
В 1963 году советские ученые из Всесоюзного научно-исследовательского института технической физики заметили, что наноалмазы были созданы в результате ядерных взрывов , в которых использовались триггерные взрывчатые вещества на основе углерода.
Структура и состав
Следует учитывать три основных аспекта структуры алмазных наночастиц : общую форму, ядро и поверхность. Путем многочисленных дифракционных экспериментов было определено, что общая форма алмазных наночастиц является либо сферической, либо эллиптической. В основе алмазных наночастиц лежит алмазная клетка, состоящая в основном из углерода. В то время как ядро очень похоже на структуру алмаза, поверхность наночастиц алмаза на самом деле напоминает структуру графита. Недавнее исследование показывает, что поверхность состоит в основном из углерода с большим количеством фенолов, пиронов и сульфоновой кислоты, а также из групп карбоновых кислот, гидроксильных групп и эпоксидных групп, хотя и в меньших количествах. Иногда в структуре наночастиц алмаза можно обнаружить такие дефекты, как центры вакансий азота. Исследование ЯМР 15N подтверждает наличие таких дефектов. Недавнее исследование показывает, что частота центров азотных вакансий уменьшается с увеличением размера алмазных наночастиц.
Методы производства
Помимо взрывов, методы синтеза включают гидротермальный синтез, ионную бомбардировку, лазерную бомбардировку, методы микроволнового плазменного химического осаждения из паровой фазы, ультразвуковой синтез и электрохимический синтез. Кроме того, разложение графитового C3N4 под высоким давлением и высокой температурой дает большие количества наночастиц алмаза высокой чистоты. Однако детонационный синтез наноалмазов стал отраслевым стандартом в промышленном производстве наноалмазов: наиболее часто используемые взрывчатые вещества представляют собой смеси тринитротолуола и гексогена или октогена. Детонация часто проводится в герметичной бескислородной камере из нержавеющей стали и дает смесь наноалмазов в среднем 5 нм и других графитовых соединений. При детонационном синтезе наноалмазы образуются при давлениях более 15 ГПа и температурах более 3000 К в отсутствие кислорода, чтобы предотвратить окисление наночастиц алмаза. Быстрое охлаждение системы увеличивает выход наноалмазов, поскольку алмаз остается наиболее стабильной фазой в таких условиях. В детонационном синтезе используются охлаждающие жидкости на основе газа и жидкости, такие как аргон и вода, пена на водной основе и лед. Поскольку в результате детонационного синтеза образуется смесь частиц наноалмаза и других форм графитового углерода, необходимо применять обширные методы очистки, чтобы избавить смесь от примесей. Как правило, обработка газообразным озоном или окисление азотной кислотой в растворной фазе используется для удаления sp2-углерода и металлических примесей.
Возможные приложения
Дефект NV-центра состоит из атома азота вместо атома углерода рядом с вакансией (пустое пространство вместо атома) в структуре решетки алмаза. Последние достижения (до 2019 г.) в области наноалмазов в приложениях квантового зондирования с использованием NV были обобщены в следующем обзоре.
Воздействие микроволнового импульса на такой дефект изменяет направление его электронного спина . Применение серии таких импульсов (последовательности развязки Уолша) заставляет их действовать как фильтры. Изменяя количество импульсов в серии, направление вращения менялось разное количество раз. Они эффективно извлекают спектральные коэффициенты, подавляя декогеренцию, тем самым улучшая чувствительность. Для восстановления всего магнитного поля использовались методы обработки сигналов .
В прототипе использовался квадратный алмаз диаметром 3 мм, но этот метод можно уменьшить до десятков нанометров.
Микроабразивный
Наноалмазы обладают такой же твердостью и химической стабильностью, что и алмазы видимого масштаба, что делает их кандидатами для применения в таких областях, как полироль и присадки к моторному маслу для улучшения смазки .
Медицинский
Алмазные наночастицы имеют потенциал для использования во множестве биологических применений, и благодаря своим уникальным свойствам, таким как инертность и твердость, наноалмазы могут оказаться лучшей альтернативой традиционным наноматериалам, которые в настоящее время используются для переноса лекарств, покрытия имплантируемых материалов и синтеза биосенсоров и других материалов. биомедицинские роботы. Низкая цитотоксичность алмазных наночастиц подтверждает их использование в качестве биологически совместимых материалов.
Исследования in vitro по изучению дисперсии алмазных наночастиц в клетках показали, что большинство алмазных наночастиц обладают флуоресценцией и равномерно распределены. Частицы флуоресцентных наноалмазов можно массово производить путем облучения нанокристаллитов алмаза ионами гелия. Флуоресцентный наноалмаз является фотостабильным, химически инертным и имеет увеличенное время жизни флуоресценции, что делает его отличным кандидатом для многих биологических приложений. Исследования показали, что небольшие фотолюминесцентные наночастицы алмаза, которые остаются свободными в цитозоле, являются отличными претендентами на транспорт биомолекул.
Диагностика in vitro
Наноалмазы, содержащие дефекты вакансий азота, использовались в качестве сверхчувствительной метки для диагностики in vitro с использованием микроволнового поля для модуляции интенсивности излучения и анализа в частотной области для отделения сигнала от фоновой автофлуоресценции. В сочетании с амплификацией рекомбиназной полимеразы наноалмазы позволяют обнаруживать единственную копию РНК ВИЧ-1 в недорогом формате теста с латеральным потоком .
Доставки лекарств
Алмазные наночастицы размером ~ 5 нм обладают большой доступной поверхностью и настраиваемым химическим составом поверхности. Они обладают уникальными оптическими, механическими и термическими свойствами и не токсичны. Потенциал наноалмаза в доставке лекарств был продемонстрирован, фундаментальные механизмы, термодинамика и кинетика адсорбции лекарств на наноалмазе изучены плохо. Важные факторы включают чистоту, химический состав поверхности , качество дисперсии, температуру и ионный состав.
Наноалмазы (с прикрепленными молекулами) способны проникать через гематоэнцефалический барьер , изолирующий мозг от большинства повреждений. В 2013 году молекулы доксорубицина (популярное лекарство от рака) были прикреплены к поверхностям наноалмаза, создав лекарство ND-DOX . Тесты показали, что опухоли не могут выбросить соединение, что увеличивает способность препарата воздействовать на опухоль и снижает побочные эффекты.
Более крупные наноалмазы из-за их «высокой эффективности поглощения» потенциально могут служить клеточными метками. Исследования показали, что наночастицы алмаза похожи на углеродные нанотрубки, и после обработки поверхностно-активными веществами стабильность и биосовместимость как углеродных нанотрубок, так и наноалмазов в растворе значительно возрастает. Кроме того, способность функционализировать наноалмазы небольшого диаметра на поверхности предоставляет различные возможности для использования алмазных наночастиц в качестве биометок с потенциально низкой цитотоксичностью.
Катализ
Уменьшение размера частиц и функционализация их поверхностей может позволить таким наночастицам алмаза с модифицированной поверхностью доставлять белки, которые затем могут стать альтернативой традиционным катализаторам.
Забота о коже
Наноалмазы хорошо впитываются кожей человека. Они также поглощают больше ингредиентов средств по уходу за кожей, чем сама кожа. Таким образом, они заставляют большее количество ингредиентов проникать в более глубокие слои кожи. Наноалмазы также образуют прочные связи с водой, помогая увлажнять кожу.
Операция
Во время операций по восстановлению челюсти и зубов врачи обычно используют инвазивную хирургию, чтобы прикрепить губку, содержащую протеины, стимулирующие рост костей, возле пораженного участка. Однако наноалмазы связываются как с костным морфогенетическим белком, так и с фактором роста фибробластов , которые стимулируют восстановление костей и хрящей и могут доставляться перорально. Наноалмаз также успешно включен в состав гуттаперчи при лечении корневых каналов.
Анализ крови
Дефектные наноалмазы могут измерять ориентацию электронных спинов во внешних полях и, таким образом, измерять их силу. Они могут электростатически поглощать белки ферритина на поверхности алмаза, где их количество может быть измерено напрямую, а также количество атомов железа (до 4500), составляющих белок.
Электроника и датчики
Датчик
Естественно возникающие дефекты в наноалмазах, называемые азотно-вакансионными (NV) центрами , использовались для измерения изменений во времени в слабых магнитных полях , подобно тому, как это делает компас с магнитным полем Земли. По словам Паолы Каппелларо, датчики можно использовать при комнатной температуре, и, поскольку они полностью состоят из углерода, их можно вводить в живые клетки, не причиняя им никакого вреда .
Наномеханический датчик и наноэлектромеханическая система (НЭМС)
Недавние исследования показали, что наноразмерные алмазы могут изгибаться до локальной максимальной упругой деформации растяжения, превышающей 9%, с соответствующим максимальным растягивающим напряжением, достигающим ~ 100 гигапаскалей, что делает их идеальными для высокопроизводительных наномеханических датчиков и приложений NEMS.
Оптические вычисления
Наноалмазы предлагают альтернативу фотонным метаматериалам для оптических вычислений . Те же наноалмазы с одним дефектом, которые можно использовать для измерения магнитных полей, также могут использовать комбинации зеленого и инфракрасного света для включения / прерывания передачи света, что позволяет создавать транзисторы и другие логические элементы.
Квантовые вычисления
Наноалмазы с NV-центрами могут служить твердотельной альтернативой захваченным ионам для квантовых вычислений при комнатной температуре .
Призы и награды
- Шнобелевская премия мира 2012 года : компания СКН за превращение старых российских боеприпасов в новые алмазы
- В 2015 году Аманда Барнард , научный руководитель Управления главного исполнительного директора Австралии (OCE) Организации научных и промышленных исследований Содружества (CSIRO), получила премию Фейнмана в области нанотехнологий от Foresight Institutes . Используя теоретические и вычислительные методы, Аманда Барнард расширила понимание структуры и стабильности углеродных наноструктур и роли, которую форма играет в установлении свойств и взаимодействий в различных условиях. Объявленная премия была посвящена ее работе с алмазными наночастицами (наноалмазами).
Смотрите также
- Агрегированный алмазный наностержень , нанокристаллическая форма алмаза, также известная как наноалмаз или гипералмаз.
- Детонационный наноалмаз