Nanodiament
Nanodiamenty lub nanocząsteczki diamentów to diamenty o wielkości poniżej 100 nanometrów . Mogą powstać w wyniku zdarzeń uderzeniowych , takich jak eksplozja lub uderzenie meteorytu. Ze względu na ich niedrogą syntezę na dużą skalę, potencjał funkcjonalizacji powierzchni i wysoką biokompatybilność , nanodiamenty są szeroko badane jako potencjalny materiał w zastosowaniach biologicznych i elektronicznych oraz inżynierii kwantowej .
Historia
W 1963 roku radzieccy naukowcy z Ogólnounijnego Instytutu Badawczego Fizyki Technicznej zauważyli, że nanodiamenty powstały w wyniku wybuchów jądrowych , w których użyto materiałów wybuchowych na bazie węgla.
Struktura i skład
Istnieją trzy główne aspekty struktury nanocząstek diamentu , które należy wziąć pod uwagę: ogólny kształt, rdzeń i powierzchnię. Dzięki wielu eksperymentom dyfrakcyjnym ustalono, że ogólny kształt nanocząstek diamentu jest albo kulisty, albo eliptyczny. W rdzeniu nanocząstek diamentu znajduje się diamentowa klatka, która składa się głównie z węgli. Podczas gdy rdzeń bardzo przypomina strukturę diamentu, powierzchnia nanocząstek diamentu faktycznie przypomina strukturę grafitu. Niedawne badania pokazują, że powierzchnia składa się głównie z węgla, z dużymi ilościami fenoli, pironów i kwasu sulfonowego, a także grup karboksylowych, grup hydroksylowych i grup epoksydowych, chociaż w mniejszych ilościach. Czasami w strukturze nanocząstek diamentu można znaleźć defekty, takie jak centra luk azotu. Badania 15N NMR potwierdzają obecność takich defektów. Niedawne badania pokazują, że częstotliwość centrów wolnych miejsc azotu zmniejsza się wraz z rozmiarem nanocząstek diamentu.
Metody produkcji
Inne niż eksplozje, metody syntezy obejmują syntezę hydrotermalną, bombardowanie jonami, bombardowanie laserem, techniki chemicznego osadzania z fazy gazowej w plazmie mikrofalowej, syntezę ultradźwiękową i syntezę elektrochemiczną. Ponadto rozkład grafitu C 3 N 4 pod wysokim ciśnieniem i w wysokiej temperaturze daje duże ilości nanocząstek diamentu o wysokiej czystości. Jednak synteza detonacyjna nanodiamentów stała się standardem branżowym w komercyjnej produkcji nanodiamentów: najczęściej stosowanymi materiałami wybuchowymi są mieszaniny trinitrotoluenu i heksogenu lub oktogenu. Detonacja jest często przeprowadzana w szczelnej, beztlenowej komorze ze stali nierdzewnej i daje mieszaninę nanodiamentów o średniej wielkości 5 nm i innych związków grafitu. W syntezie detonacyjnej nanodiamenty tworzą się pod ciśnieniem większym niż 15 GPa i temperaturach powyżej 3000 K przy braku tlenu, aby zapobiec utlenianiu nanocząstek diamentu. Szybkie chłodzenie układu zwiększa wydajność nanodiamentu, ponieważ diament pozostaje najbardziej stabilną fazą w takich warunkach. Synteza detonacyjna wykorzystuje chłodziwa na bazie gazu i cieczy, takie jak argon i woda, pianki na bazie wody i lód. Ponieważ w syntezie detonacyjnej powstaje mieszanka nanodiamentowych cząstek i innych grafitowych form węgla, należy zastosować szeroko zakrojone metody czyszczenia, aby usunąć mieszaninę zanieczyszczeń. Ogólnie rzecz biorąc, do usuwania węgli sp2 i zanieczyszczeń metalicznych stosuje się obróbkę ozonem gazowym lub utlenianie kwasem azotowym w fazie roztworu. Nanodiamenty powstają również w wyniku dysocjacji par etanolu. oraz poprzez ultraszybkie włóknienie laserowe w etanolu.
Potencjalne aplikacje
Defekt centrum NV składa się z atomu azotu zamiast atomu węgla obok wakatu (pustej przestrzeni zamiast atomu) w strukturze sieci diamentu. Ostatnie postępy (do 2019 r.) w dziedzinie nanodiamentów w aplikacjach wykrywania kwantowego wykorzystujących NV zostały podsumowane w poniższym przeglądzie.
Przyłożenie impulsu mikrofalowego do takiego defektu powoduje zmianę kierunku wirowania jego elektronu . Zastosowanie serii takich impulsów (sekwencji odsprzęgających Walsha) powoduje, że działają one jak filtry. Zmiana liczby impulsów w serii zmieniała kierunek wirowania różną liczbę razy. Skutecznie wyodrębniają współczynniki widmowe, jednocześnie tłumiąc dekoherencję, poprawiając w ten sposób czułość. Do rekonstrukcji całego pola magnetycznego zastosowano techniki przetwarzania sygnału .
Prototyp wykorzystywał kwadratowy diament o średnicy 3 mm, ale technika ta może być skalowana do dziesiątek nanometrów.
Mikrościerne
Nanodiamenty mają taką samą twardość i stabilność chemiczną jak diamenty o widocznych zgorzelinach, co czyni je kandydatami do zastosowań takich jak pasty i dodatki do olejów silnikowych poprawiające smarowanie .
Medyczny
Nanocząsteczki diamentu mają potencjał do wykorzystania w niezliczonych zastosowaniach biologicznych, a ze względu na swoje unikalne właściwości, takie jak obojętność i twardość, nanodiamenty mogą okazać się lepszą alternatywą dla tradycyjnych nanomateriałów wykorzystywanych obecnie do przenoszenia leków, powlekania materiałów wszczepialnych oraz syntezy biosensorów i roboty biomedyczne. Niska cytotoksyczność nanocząstek diamentu potwierdza ich wykorzystanie jako materiałów biologicznie zgodnych.
Badania in vitro badające dyspersję nanocząstek diamentu w komórkach wykazały, że większość nanocząstek diamentu wykazuje fluorescencję i jest równomiernie rozmieszczona. Fluorescencyjne nanocząstki diamentu można wytwarzać masowo poprzez napromienianie nanokrystalitów diamentu jonami helu. Fluorescencyjny nanodiament jest fotostabilny, obojętny chemicznie i ma wydłużony czas życia fluorescencji, co czyni go doskonałym kandydatem do wielu zastosowań biologicznych. Badania wykazały, że małe fotoluminescencyjne nanocząsteczki diamentu, które pozostają wolne w cytosolu, są doskonałymi pretendentami do transportu biomolekuł.
Diagnostyka in vitro
Nanodiamenty zawierające defekty luki azotowej zostały wykorzystane jako ultraczułe etykiety do diagnostyki in vitro, wykorzystujące pole mikrofalowe do modulowania intensywności emisji i analizy w dziedzinie częstotliwości w celu oddzielenia sygnału od autofluorescencji tła. W połączeniu z amplifikacją rekombinazy polimerazy , nanodiamenty umożliwiają wykrywanie pojedynczej kopii RNA HIV-1 w tanim formacie testu przepływu bocznego .
Dostawa narkotyków
Nanocząsteczki diamentu o wielkości ~ 5 nm oferują dużą dostępną powierzchnię i chemię powierzchni dostosowaną do indywidualnych potrzeb. Posiadają unikalne właściwości optyczne, mechaniczne i termiczne oraz są nietoksyczne. Wykazano potencjał nanodiamentu w dostarczaniu leków , podstawowe mechanizmy, termodynamika i kinetyka adsorpcji leków na nanodiamencie są słabo poznane. Ważnymi czynnikami są czystość, chemia powierzchni , jakość dyspersji, temperatura i skład jonowy.
Nanodiamenty (z dołączonymi cząsteczkami) są w stanie przeniknąć przez barierę krew-mózg , która izoluje mózg od większości zniewag. W 2013 roku doksorubicyny (popularnego leku przeciwnowotworowego) zostały połączone z powierzchniami nanodiamentu, tworząc lek ND-DOX. Testy wykazały, że guzy nie były w stanie wydalić związku, zwiększając zdolność leku do oddziaływania na guz i zmniejszając skutki uboczne.
Większe nanodiamenty, ze względu na ich „wysoką wydajność wychwytu”, mogą potencjalnie służyć jako etykiety komórkowe. Badania wykazały, że nanocząsteczki diamentu są podobne do nanorurek węglowych, a po potraktowaniu środkami powierzchniowo czynnymi znacznie wzrasta stabilność i biokompatybilność zarówno nanorurek węglowych, jak i nanodiamentów w roztworze. Ponadto zdolność do funkcjonalizowania powierzchni nanodiamentów o małych średnicach zapewnia różne możliwości wykorzystania nanocząstek diamentowych jako bioznaczników o potencjalnie niskiej cytotoksyczności.
Kataliza
Zmniejszenie rozmiaru cząstek i funkcjonalizacja ich powierzchni może pozwolić nanocząsteczkom diamentu o zmodyfikowanej powierzchni na dostarczanie białek, które następnie mogą stanowić alternatywę dla tradycyjnych katalizatorów.
Ochrona skóry
Nanodiamenty są dobrze wchłaniane przez ludzką skórę. Wchłaniają również więcej składników produktów do pielęgnacji skóry niż sama skóra. W ten sposób powodują, że więcej składników wnika w głębsze warstwy skóry. Nanodiamenty tworzą również silne wiązania z wodą, pomagając nawilżyć skórę.
Chirurgia
Podczas operacji naprawy szczęki i zębów lekarze zwykle stosują inwazyjną chirurgię, aby przykleić gąbkę zawierającą białka stymulujące wzrost kości w pobliżu dotkniętego obszaru. Jednak nanodiamenty wiążą się zarówno z morfogenetycznym białkiem kości , jak i czynnikiem wzrostu fibroblastów , które stymulują odbudowę kości i chrząstki i mogą być dostarczane doustnie. Nanodiament został również z powodzeniem włączony do gutaperki w leczeniu kanałowym.
Badanie krwi
Uszkodzone nanodiamenty mogą mierzyć orientację spinów elektronów w polach zewnętrznych, a tym samym mierzyć ich siłę. Mogą elektrostatycznie absorbować ferrytyny na powierzchni diamentu, gdzie można bezpośrednio zmierzyć ich liczbę, a także liczbę atomów żelaza (aż 4500), które tworzą białko.
Elektronika i czujniki
Czujnik
Naturalnie występujące defekty w nanodiamentach, zwane centrami wakansów azotu (NV) , zostały wykorzystane do pomiaru zmian w czasie w słabych polach magnetycznych , podobnie jak robi to kompas z ziemskim polem magnetycznym. Czujników można używać w temperaturze pokojowej, a ponieważ składają się one wyłącznie z węgla, można je wstrzykiwać do żywych komórek, nie wyrządzając im żadnej szkody, mówi Paola Cappellaro .
Czujnik nanomechaniczny i system nanoelektromechaniczny (NEMS)
Niedawne badania wykazały, że diamenty w nanoskali można wyginać do lokalnego maksymalnego odkształcenia sprężystego przy rozciąganiu przekraczającego 9%, przy odpowiednim maksymalnym naprężeniu rozciągającym sięgającym ~ 100 gigapaskali, co czyni je idealnymi do wysokowydajnych czujników nanomechanicznych i zastosowań NEMS.
Obliczenia optyczne
Nanodiamenty stanowią alternatywę dla metamateriałów fotonicznych w obliczeniach optycznych . Te same nanodiamenty z pojedynczymi defektami, które mogą być używane do wykrywania pól magnetycznych, mogą również wykorzystywać kombinacje światła zielonego i podczerwonego , aby umożliwić / zakłócić transmisję światła, umożliwiając budowę tranzystorów i innych elementów logicznych.
Obliczenia kwantowe
Nanodiamenty z centrami NV mogą służyć jako półprzewodnikowa alternatywa dla uwięzionych jonów w obliczeniach kwantowych w temperaturze pokojowej .
Obrazowanie
Fluorescencyjne nanodiamenty stanowią stabilne odniesienie do celów kontroli jakości w systemach obrazowania fluorescencyjnego i multiharmonicznego.
Nagrody i wyróżnienia
- 2012 Ig Nobel Pokojowa Nagroda : Firma SKN za przekształcenie starej rosyjskiej amunicji w nowe diamenty
- W 2015 roku Amanda Barnard , lider naukowy australijskiego Biura Dyrektora Naczelnego (OCE), Organizacji Badań Naukowych i Przemysłowych Wspólnoty Narodów (CSIRO), otrzymała Nagrodę Teorii w konkursie Feynman Awards organizowanym przez Foresight Institutes w dziedzinie nanotechnologii. Korzystając z metod teoretycznych i obliczeniowych, Amanda Barnard pogłębiła wiedzę na temat struktury i stabilności nanostruktur węglowych oraz roli, jaką kształt odgrywa w ustalaniu właściwości i interakcji w różnych warunkach. Ogłoszona nagroda koncentrowała się na jej pracy nad nanocząstkami diamentu (nanodiamentami).
Zobacz też
- Zagregowany nanopręt diamentowy , nanokrystaliczna forma diamentu znana również jako nanodiament lub hiperdiament
- Nanodiament detonacyjny