Наноалмаз
Наноалмазы , или наночастицы алмаза , представляют собой алмазы размером менее 100 нанометров . [2] Они могут быть вызваны ударными событиями, такими как взрыв или падение метеорита. Из-за их недорогого крупномасштабного синтеза, возможности функционализации поверхности и высокой биосовместимости наноалмазы широко исследуются в качестве потенциального материала в биологических и электронных приложениях, а также в квантовой инженерии . [3] [4]
История
[ редактировать ]В 1963 году советские ученые из Всесоюзного научно-исследовательского института технической физики заметили, что наноалмазы создаются в результате ядерных взрывов с использованием триггерных взрывчатых веществ на основе углерода. [3] [5]
Структура и состав
[ редактировать ]В структуре алмазных наночастиц следует учитывать три основных аспекта: общую форму, ядро и поверхность. С помощью многочисленных дифракционных экспериментов было установлено, 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 напоминает структуру алмаза, поверхность наночастиц алмаза фактически напоминает структуру графита. Недавнее исследование показывает, что поверхность состоит в основном из углерода с большим количеством фенолов, пиронов и сульфоновой кислоты, а также групп карбоновой кислоты, гидроксильных групп и эпоксидных групп, хотя и в меньших количествах. [7] Иногда в структуре наночастиц алмаза можно обнаружить такие дефекты, как азотно-вакансионные центры. Исследования ЯМР 15N подтверждают наличие таких дефектов. [8] Недавнее исследование показывает, что частота центров азотных вакансий уменьшается с увеличением размера наночастиц алмаза. [9]
 |  |  |
Методы производства
[ редактировать ]
Помимо взрывов, методы синтеза включают гидротермальный синтез, ионную бомбардировку, лазерную бомбардировку, методы микроволнового плазмохимического осаждения из паровой фазы, ультразвуковой синтез, [10] и электрохимический синтез. [11] Кроме того, разложение графита C 3 N 4 под высоким давлением и высокой температурой дает большое количество наночастиц алмаза высокой чистоты. [12] Однако детонационный синтез наноалмазов стал отраслевым стандартом коммерческого производства наноалмазов: наиболее часто используемыми взрывчатыми веществами являются смеси тринитротолуола и гексогена или октогена. Детонация часто проводится в герметичной, бескислородной камере из нержавеющей стали и дает смесь наноалмазов размером в среднем 5 нм и других графитовых соединений. [13] При детонационном синтезе наноалмазы образуются при давлениях более 15 ГПа и температурах более 3000 К в отсутствие кислорода для предотвращения окисления наночастиц алмаза. [13] Быстрое охлаждение системы увеличивает выход наноалмазов, поскольку в таких условиях алмаз остается наиболее стабильной фазой. В детонационном синтезе используются охлаждающие жидкости на газовой и жидкой основе, такие как аргон и вода, пены на водной основе и лед. [13] Поскольку в результате детонационного синтеза образуется смесь частиц наноалмазов и других форм графитового углерода, необходимо использовать обширные методы очистки, чтобы избавить смесь от примесей. Обычно для удаления углерода sp2 и металлических примесей используется обработка газообразным озоном или окисление азотной кислоты в растворе. [13] Наноалмазы образуются также при диссоциации паров этанола. [14] и посредством сверхбыстрой лазерной филаментации в этаноле. [15]
Возможные применения
[ редактировать ]Дефект NV-центра состоит из атома азота вместо атома углерода рядом с вакансией (пустое пространство вместо атома) в структуре решетки алмаза. [16] Последние достижения (до 2019 г.) в области использования наноалмазов в приложениях квантового зондирования с использованием НВ обобщены в следующем обзоре. [17]
Применение микроволнового импульса к такому дефекту меняет направление его электронного спина . Применение серии таких импульсов (последовательности развязки Уолша) заставляет их действовать как фильтры. Варьирование количества импульсов в серии меняло направление вращения разное количество раз. [16] Они эффективно извлекают спектральные коэффициенты, подавляя при этом декогеренцию, тем самым улучшая чувствительность. [18] Методы обработки сигналов использовались для восстановления всего магнитного поля. [16]
В прототипе использовался квадратный алмаз диаметром 3 мм, но технология может масштабироваться до десятков нанометров. [16]
Нано-абразивный
[ редактировать ]Наноалмазы имеют ту же твердость и химическую стабильность, что и алмазы с видимыми размерами, что делает их кандидатами для таких применений, как полироли и присадки к моторному маслу для улучшения смазки . [3]
Медицинский
[ редактировать ]Алмазные наночастицы потенциально могут быть использованы 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 переноски лекарств, покрытия имплантируемых материалов и синтеза биосенсоров. биомедицинские роботы. [19] Низкая цитотоксичность наночастиц алмаза подтверждает их использование в качестве биологически совместимых материалов. [19]
Исследования in vitro по изучению дисперсии наночастиц алмаза в клетках показали, что большинство наночастиц алмаза проявляют флуоресценцию и равномерно распределены. [20] Флуоресцентные частицы наноалмазов можно производить в массовом порядке путем облучения алмазных нанокристаллитов ионами гелия. [21] Флуоресцентный наноалмаз фотостабилен, химически инертен и имеет увеличенный срок службы флуоресценции, что делает его отличным кандидатом для многих биологических применений. [22] Исследования показали, что небольшие фотолюминесцентные наночастицы алмаза, которые остаются свободными в цитозоле, являются отличными претендентами на транспорт биомолекул. [23]
Ин-витро диагностика
[ редактировать ]Наноалмазы, содержащие дефекты азотных вакансий, 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. [24] В сочетании с амплификацией рекомбиназной полимеразы наноалмазы позволяют обнаруживать единичные копии РНК ВИЧ-1 в недорогом формате теста с латеральным потоком .
Доставка лекарств
[ редактировать ]Алмазные наночастицы размером ~5 нм предлагают большую доступную поверхность и настраиваемый химический состав поверхности. Они обладают уникальными оптическими, механическими и термическими свойствами и нетоксичны. Потенциал наноалмазов в доставке лекарств был продемонстрирован, фундаментальные механизмы, термодинамика и кинетика адсорбции лекарств на наноалмазах плохо изучены. Важные факторы включают чистоту, химию поверхности , качество дисперсии, температуру и ионный состав.
Наноалмазы (с присоединенными молекулами) способны проникать через гематоэнцефалический барьер , изолирующий мозг от большинства повреждений. В 2013 году молекулы доксорубицина (популярного лекарства, убивающего рак) были связаны с поверхностями наноалмазов, создав препарат ND-DOX . Испытания показали, что опухоли не способны выводить это соединение, что увеличивает способность препарата воздействовать на опухоль и снижает побочные эффекты. [3]
Более крупные наноалмазы из-за их «высокой эффективности поглощения» могут служить в качестве клеточных меток. [23] Исследования пришли к выводу, что алмазные наночастицы подобны углеродным нанотрубкам, и после обработки поверхностно-активными веществами стабильность и биосовместимость как углеродных нанотрубок, так и наноалмазов в растворе значительно увеличиваются. [20] Кроме того, способность к поверхностной функционализации наноалмазов малого диаметра открывает различные возможности использования алмазных наночастиц в качестве биометок с потенциально низкой цитотоксичностью. [20]
Катализ
[ редактировать ]Уменьшение размера частиц и функционализация их поверхностей [20] может позволить таким алмазным наночастицам с модифицированной поверхностью доставлять белки, которые затем могут стать альтернативой традиционным катализаторам. [25]
Уход за кожей
[ редактировать ]Наноалмазы хорошо впитываются кожей человека. Они также поглощают больше ингредиентов средств по уходу за кожей, чем сама кожа. Таким образом, они способствуют проникновению большего количества ингредиентов в более глубокие слои кожи. Наноалмазы также образуют прочные связи с водой, помогая увлажнять кожу. [3]
Операция
[ редактировать ]Во время операций по восстановлению челюсти и зубов врачи обычно используют инвазивную хирургию, чтобы приклеить губку, содержащую белки , стимулирующие рост костей , рядом с пораженным участком. Однако наноалмазы связываются как с костным морфогенетическим белком , так и с фактором роста фибробластов , которые способствуют костей и хрящей и могут вводиться перорально. восстановлению [3] Наноалмаз также был успешно включен в гуттаперчу при лечении корневых каналов. [26]
Анализ крови
[ редактировать ]Дефектные наноалмазы могут измерять ориентацию спинов электронов во внешних полях и, таким образом, измерять их силу. Они могут электростатически поглощать белки ферритина на поверхности алмаза, где можно напрямую измерить их количество, а также количество атомов железа (до 4500), составляющих белок. [3]
Электроника и датчики
[ редактировать ]Датчик
[ редактировать ]Естественные дефекты в наноалмазах, называемые азотно-вакансионными (NV) центрами , используются для измерения изменений во времени в слабых магнитных полях , подобно тому, как компас измеряет магнитное поле Земли. Датчики можно использовать при комнатной температуре, а поскольку они полностью состоят из углерода, их можно вводить в живые клетки, не причиняя им никакого вреда, Паола Каппелларо . говорит [16] Более того, наноалмазы можно использовать в качестве сенсоров для некоторых конкретных аналитов. Алмаз, легированный бором (BDD), полученный с помощью процессов химического осаждения из паровой фазы (CVD) с использованием энергии (плазма или горячая нить, HF), является хорошим кандидатом для обнаружения дофамина, однако он не является селективным по отношению к некоторым мешающим веществам. Эту проблему можно решить с помощью дальнейших постсинтетических обработок для модификации поверхности BDD, включая анодирование, водородную плазму, травление пористых форм, наноматериалов на основе углерода, полимерных пленок и наночастиц. Недавние исследования, [27] предложить новый подход к созданию электродов на основе алмаза, легированных титаном, с естественной селективностью по отношению к дофамину посредством предварительной обработки подложки (притирка, электрополировка и химическое травление) вместо постобработки.Более того, было доказано, что наноалмаз изменяет некоторые электронные свойства матрицы на основе полимера. [28] Эти модификации, которые можно суммировать как увеличение ионной проводимости системы и, следовательно, уменьшение импеданса, вероятно, связаны с наличием функциональных групп на поверхности частиц наноалмаза. Эти группы могут взаимодействовать с полимерными цепями, способствуя тем самым ионному обмену.
Наномеханический датчик и наноэлектромеханическая система (НЭМС)
[ редактировать ]Недавние исследования показали, что наноразмерные алмазы можно сгибать до локальной максимальной упругой деформации растяжения, превышающей 9%. [29] с соответствующим максимальным растягивающим напряжением, достигающим ~ 100 гигапаскалей, что делает их идеальными для высокопроизводительных наномеханических датчиков и приложений NEMS.
Оптические вычисления
[ редактировать ]Наноалмазы предлагают альтернативу фотонным метаматериалам для оптических вычислений . Те же самые 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
[ редактировать ]Наноалмазы с NV-центрами могут служить твердотельной альтернативой захваченным ионам для квантовых вычислений при комнатной температуре . [3]
Визуализация
[ редактировать ]Флуоресцентные наноалмазы являются стабильным эталоном для целей контроля качества в системах флуоресценции и мультигармонической визуализации. [30]
Призы и награды
[ редактировать ]- Шнобелевская премия мира 2012 г .: Компания СКН за преобразование старых российских боеприпасов в новые алмазы.
- В 2015 году Аманда Барнард , научный руководитель Канцелярии генерального директора Австралии (OCE), Организации научных и промышленных исследований Содружества (CSIRO), получила премию по теории на Института прогнозирования церемонии вручения премии Фейнмана в области нанотехнологий . Используя теоретические и вычислительные методы, Аманда Барнард улучшила понимание структуры и стабильности углеродных наноструктур, а также роли, которую форма играет в установлении свойств и взаимодействий в различных условиях. Объявленная премия посвящена ее работе над алмазными наночастицами (наноалмазами). [31]
См. также
[ редактировать ]- Агрегированный алмазный наностержень , нанокристаллическая форма алмаза, также известная как наноалмаз или гипералмаз.
- Детонационный наноалмаз
- Fiveling , двойниковая структура, распространенная в наноалмазах.
- Икосаэдрические двойники , структура, распространенная в наноалмазах.
Ссылки
[ редактировать ]
- ^ Jump up to: а б с Офудзи, Хироаки; Ирифунэ, Тецуо; Литасов Константин Д.; Ямасита, Томохару; Исобе, Футоши; Афанасьев Валентин П.; Похиленко, Николай П. (2015). «Природное возникновение чистого нано-поликристаллического алмаза из ударного кратера» . Научные отчеты . 5 : 14702. Бибкод : 2015NatSR...514702O . дои : 10.1038/srep14702 . ПМЦ 4589680 . ПМИД 26424384 .
- ^ Чунг, П.-Х.; Переведенцева Е.; Ченг, К.-Л. (2007). «Фотолюминесценция наноалмазов в зависимости от размера частиц». Поверхностная наука . 601 (18): 3866–3870. Бибкод : 2007SurSc.601.3866C . дои : 10.1016/j.susc.2007.04.150 .
- ^ Jump up to: а б с д и ж г час я Файнберг, Эшли (9 апреля 2014 г.). «Как эти микроскопические алмазы будут формировать будущее» . Гизмодо.
- ^ Мочалин В.Н.; Шендерова О.; Хо, Д.; Гогоци, Ю. (2011). «Свойства и применение наноалмазов». Природные нанотехнологии . 7 (1): 11–23. дои : 10.1038/nnano.2011.209 . ПМИД 22179567 .
- ^ Даниленко В.В. (2004). «К истории открытия синтеза наноалмазов». Физика твердого тела . 46 (4): 595–599. Бибкод : 2004PhSS...46..595D . дои : 10.1134/1.1711431 . S2CID 121038737 .
- ^ Цзоу, К.; Ли, Ю.Г.; Цзоу, ЛХ; Ван, МЗ (2009). «Характеристика структур и поверхностных состояний наноалмазов, синтезированных детонационным путем». Характеристика материалов . 60 (11): 1257–1262. дои : 10.1016/j.matchar.2009.05.008 .
- ^ Пачи, Джеффри Т.; Мужчина, Хан Б.; Саха, Бисваджит; Хо, Дин; Шац, Джордж К. (2013). «Понимание поверхности наноалмазов». Журнал физической химии C. 117 (33): 17256–17267. дои : 10.1021/jp404311a .
- ^ Фанг, Сяовэнь; Мао, Цзиндун; Левин, Э.М.; Шмидт-Рор, Клаус (2009). «Неароматическая структура ядро-оболочка наноалмаза по данным ЯМР-спектроскопии твердого тела». Журнал Американского химического общества . 131 (4): 1426–1435. дои : 10.1021/ja8054063 . ПМИД 19133766 .
- ^ Ронден, Л.; Дантель, Г.; Слаблаб, А.; Гроссханс, Ф.; Трейссар, Ф.; Бергонцо, П.; Перручас, С.; Гакойн, Т.; Шеньо, М.; Чанг, Х.-К.; Жак, В.; Рох, Ж.-Ф. (2010). «Поверхностно-индуцированное преобразование зарядового состояния азотно-вакансионных дефектов в наноалмазах». Физический обзор B . 82 (11): 115449. arXiv : 1008.2276 . Бибкод : 2010PhRvB..82k5449R . дои : 10.1103/PhysRevB.82.115449 . S2CID 119217590 .
- ^ «Ультразвуковой синтез наноалмазов» . www.hielscher.com .
- ^ Харисов Борис И.; Харисова Оксана Владимировна ; 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 (неактивен 31 января 2024 г.).
{{cite journal}}: CS1 maint: DOI неактивен по состоянию на январь 2024 г. ( ссылка ) - ^ Фанг, Лейминг; Офудзи, Хироаки; Ирифунэ, Тецуо (2013). «Новая технология синтеза наноалмазного порошка» . Журнал наноматериалов . 2013 : 1–4. дои : 10.1155/2013/201845 . S2CID 54026958 .
- ^ Jump up to: а б с д Холт, Кэтрин Б. (2007). «Алмаз в наномасштабе: применение алмазных наночастиц из клеточных биомаркеров в квантовых вычислениях». Философские труды Королевского общества A: Математические, физические и технические науки . 365 (1861): 2845–2861. Бибкод : 2007RSPTA.365.2845H . дои : 10.1098/rsta.2007.0005 . ПМИД 17855222 . S2CID 8185618 .
- ^ Кумар, Аджай; Энн Лин, Пин; Сюэ, Альберт; Хао, Бойи; Кхин Яп, Иго; Шанкаран, Р. Мохан (21 октября 2013 г.). «Образование наноалмазов в условиях, близких к окружающей среде, путем микроплазменной диссоциации паров этанола» . Природные коммуникации . 4 (1): 2618. Бибкод : 2013NatCo...4.2618K . дои : 10.1038/ncomms3618 . ПМИД 24141249 . S2CID 26552314 .
- ^ Ни, Чен-Хон; Яп, Сон-Линг; Тоу, Тек-Ён; Чанг, Хуан-Чэн; Яп, Сон-Шан (23 сентября 2016 г.). «Прямой синтез наноалмазов фемтосекундным лазерным облучением этанола» . Научные отчеты . 6 (1): 33966. Бибкод : 2016NatSR...633966N . дои : 10.1038/srep33966 . ПМК 5034281 . ПМИД 27659184 .
- ^ Jump up to: а б с д и «Использование наноалмазов для точного обнаружения нейронных сигналов» . КурцвейлАИ. 27 января 2014 г.
- ^ Радтке, Мариуш; Бернарди, Этторе; Слаблаб, Абдалла; Нельц, Ричард; Ной, Эльке (9 сентября 2019 г.). «Наномасштабное зондирование на основе азотных вакансионных центров в монокристаллическом алмазе и наноалмазах: достижения и проблемы». arXiv : 1909.03719v1 [ physical.app-ph ].
- ^ Купер, А.; Магесан, Э.; Ням, ХН; Каппелларо, П. (2014). «Магнитное зондирование с временным разрешением и электронными спинами в алмазе». Природные коммуникации . 5 : 3141. arXiv : 1305.6082 . Бибкод : 2014NatCo...5.3141C . дои : 10.1038/ncomms4141 . ПМИД 24457937 . S2CID 14914691 .
- ^ Jump up to: а б Шранд, Аманда М.; Хуан, Ходжин; Карлсон, Каталея; Шлагер, Джон Дж.; Осава, Эйдзи; Хусейн, Сабер М.; Дай, Известкование (2007). «Являются ли алмазные наночастицы цитотоксичными?». Журнал физической химии Б. 111 (1): 2–7. дои : 10.1021/jp066387v . ПМИД 17201422 .
- ^ Jump up to: а б с д Нойгарт, Феликс; Заппе, Андреа; Железко, Федор; Титц, К.; Буду, Жан Поль; Крюгер, Анке; Врахтруп, Йорг (2007). «Динамика алмазных наночастиц в растворе и клетках». Нано-буквы . 7 (12): 3588–3591. Бибкод : 2007NanoL...7.3588N . дои : 10.1021/nl0716303 . ПМИД 17975943 .
- ^ Чанг, И-Рен; Лим, Сюй-Ян; Чанг, Чунь-Цье, Дун-Шэн; Лим, Цон-Шин; Ченг - Хуан Чанг ; ,
- ^ Ю, Шу-Юнг; Канг, Мин-Вэй; Чанг, Хуан-Чэн; Чен, Куан-Мин; Ю, Юэ-Чунг (2005). «Яркие флуоресцентные наноалмазы: отсутствие фотообесцвечивания и низкая цитотоксичность». Журнал Американского химического общества . 127 (50): 17604–17605. дои : 10.1021/ja0567081 . ПМИД 16351080 .
- ^ Jump up to: а б Факларис, О.; Джоши, В.; Иринопулу, Т.; Таук, П.; Сеннур, М.; Жирар, Х.; Гессет, К.; Арно, JC; Торель, А.; Буду, Япония; Курми, Пенсильвания; Трейссар, Ф. (2009). «Фотолюминесцентные алмазные наночастицы для маркировки клеток: исследование механизма поглощения в клетках млекопитающих». АСУ Нано . 3 (12): 3955–62. arXiv : 0907.1148 . дои : 10.1021/nn901014j . ПМИД 19863087 . S2CID 1261084 .
- ^ Миллер, Бенджамин С.; Безинг, Леонар; Глиддон, Харриет Д.; Хуан, Да; Долд, Гэвин; Грей, Элеонора Р.; Хини, Джудит; Добсон, Питер Дж.; Настоули, Элени; Мортон, Джон Дж.Л.; Маккендри, Рэйчел А. (2020). «Спин-усиленное биосенсорство наноалмазов для сверхчувствительной диагностики» . Природа . 587 (7835): 588–593. Бибкод : 2020Natur.587..588M . дои : 10.1038/s41586-020-2917-1 . ПМИД 33239800 . S2CID 227176732 .
- ^ Коссовский, Нир; Гельман, Эндрю; Гнатышин, Х. Джеймс; Раджгуру, Самир; Гаррелл, Робин Л.; Торбати, Шабнам; Фрейтас, Шивон С.Ф.; Чоу, Ган-Муг (1995). «Алмазные наночастицы с модифицированной поверхностью как средство доставки антигена». Биоконъюгатная химия . 6 (5): 507–511. дои : 10.1021/bc00035a001 . ПМИД 8974446 .
- ^ Ли, Дон Гын; Ли, Теодор; Лян, Чжанжуй; Сю, Дезире; Мия, Дэррон; Ву, Брайан; Осава, Эйдзи; Чоу, Эдвард Кай-Хуа; Сунг, Эрик С; Канг, Мо К.; Хо, Дин (2017). «Клиническая проверка термопластического биоматериала с внедренными наноалмазами» . ПНАС . 114 (45): Е9445–Е9454. Бибкод : 2017PNAS..114E9445L . дои : 10.1073/pnas.1711924114 . ПМЦ 5692571 . ПМИД 29078364 .
- ^ Тамбурри, Карчоне (2023). «Стратегии предварительной обработки титановых подложек для модуляции электрохимических свойств алмазных электродов, легированных Ti, выращенных методом CVD, для обнаружения дофамина» . Технология поверхностей и покрытий . 467 (129662). doi : 10.1016/j.surfcoat.2023.129662 .
- ^ Орландуччи, Пальмьери (2022). «Устойчивый композит гидроксипропилцеллюлоза-наноалмаз для гибкого электронного применения» . Гели . 12 (8): 783. doi : 10.3390/gels8120783 . ПМЦ 9777684 . ПМИД 36547307 .
- ^ Банерджи, Амит; и др. (2018). «Сверхбольшая упругая деформация наноразмерного алмаза». Наука . 360 (6386): 300–302. Бибкод : 2018Sci...360..300B . дои : 10.1126/science.aar4165 . ПМИД 29674589 . S2CID 5047604 .
- ^ Жураускас, Мантас; Алекс, Аниш; Парк, Хаэна; Худ, Стив Р.; Боппарт, Стивен А. (3 ноября 2021 г.). «Флуоресцентные наноалмазы для характеристики систем нелинейной микроскопии» . Фотонные исследования . 9 (12). Оптика: 2309–2318. дои : 10.1364/prj.434236 . ISSN 2327-9125 . ПМЦ 10174270 . ПМИД 37181134 . S2CID 239280518 .
- ^ «Премия Фейнмана Института Форсайта 2014» . Институт Форсайта. Апрель 2015.