Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Агрегаты природных наноалмазов из кратера Попигай , Сибирь, Россия. [1]
Внутренняя структура наноалмазов Попигая. [1]
Внутренняя структура синтетических наноалмазов. [1]
Электронная микрофотография детонационных наноалмазов

Наноалмазы или наночастицы алмаза - это алмазы размером менее 1 микрометра . [2] Они могут быть вызваны ударными явлениями, такими как взрыв или удары метеорита. Благодаря недорогому крупномасштабному синтезу, потенциалу функционализации поверхности и высокой биосовместимости наноалмазы широко исследуются как потенциальный материал в биологических и электронных приложениях, а также в квантовой инженерии. [3] [4]

История [ править ]

Смотрите также: Детонационный наноалмаз

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. [3] [5]

Структура и состав [ править ]

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. [6] Хотя 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. [7]Иногда в структуре алмазных наночастиц можно обнаружить такие дефекты, как центры вакансий азота. Исследование ЯМР 15N подтверждает наличие таких дефектов. [8] Недавнее исследование показывает, что частота азотно-вакансионных центров уменьшается с увеличением размера алмазных наночастиц. [9]

Рис. 1. Классическая «алмазная» структура: гранецентрированный куб с четырехгранными отверстиями, заполненными четырьмя атомами.
Рисунок 2: Вид A центра вакансий азота: синие атомы представляют атомы углерода, красный атом представляет атом азота, замещающий атом углерода, а желтый атом представляет вакансию в решетке.
Рисунок 3: Вид B центра азотных вакансий

Методы производства [ править ]

Рисунок 4: Графитовый углерод (полученный как побочный продукт детонационного синтеза; частично показаны взаимодействия Ван-дер-Ваальса)

Помимо взрывов, методы синтеза включают гидротермальный синтез, ионную бомбардировку, лазерную бомбардировку, методы микроволнового плазменного химического осаждения из паровой фазы, ультразвуковой синтез [10] и электрохимический синтез. [11] Кроме того, разложение графитового C3N4 под высоким давлением и высокой температурой дает большие количества наночастиц алмаза высокой чистоты. [12] Тем не менее, 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 выполняется в герметичной бескислородной камере из нержавеющей стали и дает смесь наноалмазов в среднем 5 нм и других графитовых соединений.[13] При детонационном синтезе наноалмазы образуются при давлениях выше 15 ГПа и температурах выше 3000K в отсутствие кислорода, чтобы предотвратить окисление наночастиц алмаза. [13] Быстрое охлаждение системы увеличивает выход наноалмаза, так как 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. [13] Поскольку в результате детонационного синтеза образуется смесь частиц наноалмаза и других форм графитового углерода, необходимо использовать 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. [13]

Возможные приложения [ править ]

Дефект NV-центра состоит из атома азота вместо атома углерода рядом с вакансией (пустое пространство вместо атома) в структуре решетки алмаза. [14] Последние достижения (до 2019 г.) в области наноалмазов в приложениях квантового зондирования с использованием NV были суммированы в следующем обзоре. [15]

Воздействие микроволнового импульса на такой дефект изменяет направление его электронного спина . Применение серии таких импульсов (последовательности развязки Уолша) заставляет их действовать как фильтры. При изменении количества импульсов в серии направление вращения менялось разное количество раз. [14] Они эффективно извлекают спектральные коэффициенты, подавляя декогеренцию, тем самым улучшая чувствительность. [16] Методы обработки сигналов были использованы для восстановления всего магнитного поля. [14]

В прототипе использовался квадратный алмаз диаметром 3 мм, но этот метод можно уменьшить до десятков нанометров. [14]

Микроабразивный [ править ]

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 . [3]

Медицинский [ править ]

У алмазных наночастиц есть 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 биомедицинские роботы. [17] Низкая цитотоксичность алмазных наночастиц подтверждает их использование в качестве биологически совместимых материалов. [17]

Исследования in vitro по изучению дисперсии алмазных наночастиц в клетках показали, что большинство алмазных наночастиц обладают флуоресценцией и равномерно распределены. [18] Флуоресцентные частицы наноалмазов можно массово производить путем облучения нанокристаллитов алмаза ионами гелия. [19] Флуоресцентный наноалмаз является фотостабильным, химически инертным и имеет увеличенное время жизни флуоресценции, что делает его отличным кандидатом для многих биологических приложений. [20] Исследования показали, что небольшие фотолюминесцентные наночастицы алмаза, которые остаются свободными в цитозоле, являются отличными претендентами на транспорт биомолекул. [21]

Диагностика in vitro [ править ]

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. [22] В сочетании с амплификацией рекомбиназной полимеразы наноалмазы позволяют обнаруживать единственную копию РНК ВИЧ-1 в недорогом формате теста с латеральным потоком .

Доставка лекарств [ править ]

Алмазные наночастицы размером ~ 5 нм предлагают большую доступную поверхность и настраиваемый химический состав 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, который изолирует мозг от большинства повреждений. В 2013 году молекулы доксорубицина (популярное лекарство от рака) были прикреплены к поверхности наноалмаза, создав лекарство ND-DOX . Тесты показали, что опухоли не могут выбросить соединение, что увеличивает способность лекарства воздействовать на опухоль и снижает побочные эффекты. [3]

Более крупные наноалмазы из-за их «высокой эффективности поглощения» потенциально могут служить клеточными метками. [21] Исследования показали, что алмазные наночастицы похожи на углеродные нанотрубки, и после обработки поверхностно-активными веществами стабильность и биосовместимость как углеродных нанотрубок, так и наноалмазов в растворе значительно возрастает. [18] Кроме того, способность функционализировать наноалмазы небольшого диаметра на поверхности предоставляет различные возможности для использования алмазных наночастиц в качестве биометок с потенциально низкой цитотоксичностью. [18]

Катализ [ править ]

Уменьшение размера частиц и функционализация их поверхностей [18] может позволить таким наночастицам алмаза с модифицированной поверхностью доставлять белки, которые затем могут стать альтернативой традиционным катализаторам. [23]

Уход за кожей [ править ]

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. [3]

Хирургия [ править ]

Во время операций по восстановлению челюсти и зубов врачи обычно используют инвазивную хирургию, чтобы приклеить губку, содержащую протеины, стимулирующие рост костей, возле пораженного участка. Однако наноалмазы связываются как с костным морфогенетическим белком, так и с фактором роста фибробластов , которые способствуют восстановлению костей и хрящей и могут доставляться перорально. [3] Наноалмаз также успешно включен в состав гуттаперчи при лечении корневых каналов. [24]

Анализ крови [ править ]

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. [3]

Электроника и датчики [ править ]

Датчик [ править ]

Естественные дефекты в наноалмазах, называемые азотно-вакансионными (NV) центрами , использовались для измерения изменений во времени в слабых магнитных полях , подобно тому, как это делает компас для магнитного поля Земли. По словам Каппелларо, датчики можно использовать при комнатной температуре, а поскольку они полностью состоят из углерода, их можно вводить в живые клетки, не причиняя им никакого вреда. [14]

Наномеханический датчик и наноэлектромеханическая система (НЭМС) [ править ]

Недавние исследования показали, что наноразмерные алмазы могут изгибаться до локальной максимальной упругой деформации при растяжении, превышающей 9% [25], при этом соответствующее максимальное растягивающее напряжение достигает ~ 100 гигапаскалей, что делает их идеальными для высокопроизводительных наномеханических датчиков и приложений NEMS.

Оптические вычисления [ править ]

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 / нарушения передачи света, что позволяет создавать транзисторы и другие логические элементы. [3]

Квантовые вычисления [ править ]

Наноалмазы с NV-центрами могут служить твердотельной альтернативой захваченным ионам для квантовых вычислений при комнатной температуре . [3]

Призы и награды [ править ]

  • 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, а также роли, которую форма играет в установлении свойств и взаимодействий в различных условиях. Объявленная премия была посвящена ее работе с алмазными наночастицами (наноалмазами). [26]

См. Также [ править ]

  • Агрегированный алмазный наностержень , нанокристаллическая форма алмаза, также известная как наноалмаз или гипералмаз.
  • Детонационный наноалмаз

Ссылки [ править ]

  1. ^ a b c Охфудзи, Хироаки; Ирифуне, Тецуо; Литасов, Константин Д .; Ямасита, Томохару; Исобэ, Футоши; Афанасьев, Валентин П .; Похиленко, Николай П. (2015). «Естественное появление чистого нанополикристаллического алмаза из ударной кратера» . Научные отчеты . 5 : 14702. Bibcode : 2015NatSR ... 514702O . DOI : 10.1038 / srep14702 . PMC  4589680 . PMID  26424384 .
  2. ^ Чунг, П.-Х .; Переведенцева, Е .; Ченг, К.-Л. (2007). «Фотолюминесценция наноалмазов в зависимости от размера частиц». Наука о поверхности . 601 (18): 3866–3870. Bibcode : 2007SurSc.601.3866C . DOI : 10.1016 / j.susc.2007.04.150 .
  3. ^ a b c d e f g h i Фейнберг, Эшли (9 апреля 2014 г.). «Как эти микроскопические алмазы будут формировать будущее» . Gizmodo.
  4. ^ Мочалин, ВН; Шендерова, О .; Ho, D .; Гогоци, Ю. (2011). «Свойства и применение наноалмазов». Природа Нанотехнологии . 7 (1): 11–23. DOI : 10.1038 / nnano.2011.209 . PMID 22179567 . 
  5. ↑ Даниленко, В.В. (2004). «К истории открытия синтеза наноалмазов». Физика твердого тела . 46 (4): 595–599. Bibcode : 2004PhSS ... 46..595D . DOI : 10.1134 / 1.1711431 . S2CID 121038737 . 
  6. ^ Zou, Q .; Li, YG; Zou, LH; Ван, MZ (2009). «Характеристика структур и поверхностных состояний наноалмазов, синтезированных методом детонации». Характеристика материалов . 60 (11): 1257–1262. DOI : 10.1016 / j.matchar.2009.05.008 .
  7. ^ Paci, Джеффри Т .; Man, Han B .; Саха, Бисваджит; Хо, Дин; Шац, Джордж К. (2013). «Понимание поверхности наноалмазов». Журнал физической химии C . 117 (33): 17256–17267. DOI : 10.1021 / jp404311a .
  8. ^ Фанг, Сяовэнь; Мао, Цзиндун; Левин Э.М.; Шмидт-Рор, Клаус (2009). "Неароматическая структура ядра-оболочки наноалмаза по данным твердотельной ЯМР-спектроскопии". Журнал Американского химического общества . 131 (4): 1426–1435. DOI : 10.1021 / ja8054063 . PMID 19133766 . 
  9. ^ Rondin, L .; Dantelle, G .; Плита, А .; Grosshans, F .; Treussart, F .; Bergonzo, P .; Perruchas, S .; Gacoin, T .; Chaigneau, M .; Chang, H.-C .; Жак, В .; Роч, Ж.-Ф. (2010). «Поверхностно-индуцированная конверсия зарядового состояния азотно-вакансионных дефектов в наноалмазах». Physical Review B . 82 (11): 115449. arXiv : 1008.2276 . Bibcode : 2010PhRvB..82k5449R . DOI : 10.1103 / PhysRevB.82.115449 . S2CID 119217590 . 
  10. ^ «Ультразвуковой синтез наноалмазов» . www.hielscher.com .
  11. ^ Харисов, Борис I .; Харисова, Оксана В .; Чавес-Герреро, Леонардо (2010). «Методы синтеза, свойства и применение наноалмазов» . Синтез и реакционная способность в неорганической, металлоорганической и нанометаллической химии . 40 : 84–101. DOI : 10,3109 / 10799890903555665 (неактивный 2021-01-15).CS1 maint: DOI неактивен с января 2021 г. ( ссылка )
  12. ^ Фанг, Лейминг; Офудзи, Хироаки; Ирифунэ, Тецуо (2013). «Новая технология синтеза порошка наноалмазов» . Журнал наноматериалов . 2013 : 1–4. DOI : 10.1155 / 2013/201845 .
  13. ^ a b c d Холт, Кэтрин Б. (2007). «Алмаз в наномасштабе: применение алмазных наночастиц от клеточных биомаркеров до квантовых вычислений». Философские труды Королевского общества A: математические, физические и технические науки . 365 (1861): 2845–2861. Bibcode : 2007RSPTA.365.2845H . DOI : 10,1098 / rsta.2007.0005 . PMID 17855222 . S2CID 8185618 .  
  14. ^ a b c d e «Использование наноалмазов для точного обнаружения нейронных сигналов» . KurzweilAI. 27 января 2014 г.
  15. ^ Радтке, Мариуш; Бернарди, Этторе; Слаблаб, Абдаллах; Нельц, Ричард; Ной, Эльке (9 сентября 2019 г.). «Наноразмерное зондирование на основе центров вакансий азота в монокристаллических алмазах и наноалмазах: достижения и проблемы». arXiv : 1909.03719v1 [ Physics.app -ph ].
  16. ^ Купер, А .; Magesan, E .; Ням, Х.Н. и Каппелларо, П. (2014). «Магнитное зондирование с временным разрешением с электронными спинами в алмазе». Nature Communications . 5 : 3141. arXiv : 1305.6082 . Bibcode : 2014NatCo ... 5.3141C . DOI : 10.1038 / ncomms4141 . PMID 24457937 . S2CID 14914691 .  CS1 maint: использует параметр авторов ( ссылка )
  17. ^ а б Шранд, Аманда М .; Хуанг, Худжин; Карлсон, Каталея; Шлагер, Джон Дж .; Осава, Эйдзи; Hussain, Sabre M .; Дай, Лиминг (2007). «Являются ли алмазные наночастицы цитотоксичными?». Журнал физической химии B . 111 (1): 2–7. DOI : 10.1021 / jp066387v . PMID 17201422 . 
  18. ^ a b c d Нойгарт, Феликс; Заппе, Андреа; Железко, Федор; Tietz, C .; Буду, Жан Поль; Крюгер, Анке; Ррахтруп, Йорг (2007). «Динамика алмазных наночастиц в растворе и клетках». Нано-буквы . 7 (12): 3588–3591. Bibcode : 2007NanoL ... 7.3588N . DOI : 10.1021 / nl0716303 . PMID 17975943 . 
  19. ^ Чанг, И-Рен; Ли, Сюй-Ян; Чен, Кова; Чанг, Чун-Цзе; Цай, Дунг-Шэн; Фу, Чи-Ченг; Лим, Цон-Шин; Фанг, Чиа-И; Хан, Чау-Чунг; Чанг, Хуан-Ченг; Fann, Wunshain (2008). «Массовое производство и динамическое отображение флуоресцентных наноалмазов». Природа Нанотехнологии . 3 (5): 284–288. DOI : 10.1038 / nnano.2008.99 . PMID 18654525 . 
  20. ^ Ю, Шу-Юнг; Канг, Мин-Вэй; Чанг, Хуан-Ченг; Чен, Куан-Мин; Ю, Юэ-Чунг (2005). «Яркие флуоресцентные наноалмазы: отсутствие фотообесцвечивания и низкая цитотоксичность». Журнал Американского химического общества . 127 (50): 17604–17605. DOI : 10.1021 / ja0567081 . PMID 16351080 . 
  21. ^ a b Faklaris, O .; Джоши, В .; Irinopoulou, T .; Tauc, P .; Sennour, M .; Girard, H .; Gesset, C .; Arnault, JC; Thorel, A .; Boudou, JP; Curmi, PA; Treussart, F. (2009). «Фотолюминесцентные алмазные наночастицы для маркировки клеток: изучение механизма захвата в клетках млекопитающих». ACS Nano . 3 (12): 3955–62. arXiv : 0907.1148 . DOI : 10.1021 / nn901014j . PMID 19863087 . S2CID 1261084 .  
  22. ^ Миллер, Бенджамин С .; Безинг, Леонар; Глиддон, Харриет Д .; Хуанг, Да; Долд, Гэвин; Грей, Элеонора Р .; Хини, Джудит; Добсон, Питер Дж .; Настули, Элени; Мортон, Джон JL; МакКендри, Рэйчел А. (2020). «Спин-усиленный наноалмазный биосенсор для сверхчувствительной диагностики». Природа . 587 (7835): 588–593. Bibcode : 2020Natur.587..588M . DOI : 10.1038 / s41586-020-2917-1 . PMID 33239800 . 
  23. ^ Косовский, Nir; Гельман, Андрей; Гнатышин, Х. Джеймс; Раджгуру, Самир; Гаррелл, Робин Л .; Торбати, Шабнам; Freitas, Siobhan SF; Чоу, Ган-Муг (1995). "Алмазные наночастицы с модифицированной поверхностью как средства доставки антигена". Биоконъюгатная химия . 6 (5): 507–511. DOI : 10.1021 / bc00035a001 . PMID 8974446 . 
  24. ^ Ли, Донг-Гын; Ли, Теордор; Лян, Чжангруй; Сио, Дезире; Мия, Даррон; Ву, Брайан; Осава, Эйдзи; Чоу, Эдвард Кай-Хуа; Сун, Эрик С; Kang, Mo K .; Хо, Дин (2017). «Клиническая проверка термопластичного биоматериала с наноалмазами» . PNAS . 114 (45): E9445 – E9454. Bibcode : 2017PNAS..114E9445L . DOI : 10.1073 / pnas.1711924114 . PMC 5692571 . PMID 29078364 .  
  25. ^ Банерджи, Амит; и другие. (2018). «Сверхбольшая упругая деформация наноразмерного алмаза» . Наука . 360 (6386): 300–302. DOI : 10.1126 / science.aar4165 . PMID 29674589 . 
  26. ^ "Премия Фейнмана 2014 Института Форсайта" . Институт Форсайта. Апрель 2015 г.