Наноалмазы , или наночастицы алмаза , представляют собой алмазы размером менее 100 нанометров . [2] Они могут быть вызваны такими событиями , 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]
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]
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 алмазных наночастиц 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 алмазных наночастиц можно обнаружить такие дефекты, как центры азотных вакансий. Исследования ЯМР 15N подтверждают наличие таких дефектов. [8] Недавнее исследование показывает, что частота азот-вакансионных центров уменьшается с размером наночастиц алмаза. [9]
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 в коммерческом производстве 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, чтобы предотвратить окисление наночастиц алмаза. [13] Быстрое охлаждение системы увеличивает выход наноалмазов, поскольку алмаз остается наиболее стабильной фазой в таких условиях. 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 применять 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 также образуются в результате диссоциации паров этанола. [14] и с помощью сверхбыстрой лазерной филаментации в этаноле. [15]
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]
Наноалмазы имеют ту же твердость и химическую стабильность, что и алмазы с видимыми осадками, что делает их кандидатами для таких применений, как полироли и присадки к моторному маслу для улучшения смазки . [3]
Алмазные наночастицы потенциально могут быть использованы во множестве биологических приложений, 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 и 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 наноалмазные частицы 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]
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 одну копию РНК ВИЧ-1 в недорогом формате теста с латеральным потоком .
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 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 прикрепленными 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 похожи на углеродные нанотрубки, 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 обеспечивает различные возможности использования алмазных наночастиц в качестве биометок с потенциально низкой цитотоксичностью. [20]
Уменьшение размера частиц и функционализация их поверхности [20] может позволить таким алмазным наночастицам с модифицированной поверхностью доставлять белки, которые затем могут стать альтернативой традиционным катализаторам. [25]
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]
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 восстановлению костей и хрящей и могут вводиться перорально. [3] Наноалмаз также был успешно включен в гуттаперчу при лечении корневых каналов. [26]
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]
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, говорит Паола Каппелларо . [16] Более того, наноалмазы можно использовать в качестве сенсора 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] предлагают 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.
Недавние исследования показали, что наноразмерные алмазы можно сгибать до локальной максимальной растягивающей упругой деформации, превышающей 9%, [29] с соответствующим максимальным растягивающим напряжением, достигающим ~ 100 гигапаскалей, что делает их идеальными для высокопроизводительных наномеханических датчиков и приложений NEMS.
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. [3]
Наноалмазы с NV-центрами могут служить твердотельной альтернативой захваченным ионам для квантовых вычислений при комнатной температуре . [3]
Флуоресцентные наноалмазы являются стабильным эталоном для целей контроля качества в системах флуоресценции и мультигармонической визуализации.[30]
{{cite journal}}: CS1 maint: DOI неактивен по состоянию на январь 2024 г. ( ссылка )