Наноалмазы - Nanodiamond

Агрегаты природных наноалмазов из Кратер Попигай, Сибирь, Россия.[1]
Внутренняя структура наноалмазов Попигая.[1]
Внутренняя структура синтетических наноалмазов.[1]
Электронная микрофотография детонационные наноалмазы

Наноалмазы или же алмазные наночастицы находятся бриллианты размером меньше 1 микрометр.[2] Они могут быть произведены ударные события например, 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

Смотрите также: Детонационный наноалмаз

В 1963 году советские ученые из Всесоюзного научно-исследовательского института технической физики заметили, что наноалмазы были созданы ядерные взрывы которые использовали триггерные взрывчатые вещества на углеродной основе.[3][5]

Структура и состав

В структуре алмаза есть три основных аспекта. наночастицы следует учитывать: общую форму, сердцевину 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] 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.[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 центров азотных вакансий уменьшается с размером алмазных наночастиц.[9]

Облаченная женщина, сидящая, с мечом на коленях
Рис. 1. Классическая «алмазная» структура: гранецентрированный куб с четырехгранными отверстиями, заполненными четырьмя атомами.
Облаченная женщина, стоящая, держа меч
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.
Памятник женщине в мантии, стоящей, держащей в одной руке корону, а в другой частично вложенный в ножны меч
Рисунок 3: Вид B центра азотных вакансий

Методы производства

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] 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 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 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 основе газа и жидкости, такие как аргон и вода, пена на водной основе и лед.[13] Поскольку детонационный синтез приводит к образованию смеси 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.[13]

Возможные приложения

Дефект N-V 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 обобщены в следующем обзоре.[15]

Применяя микроволновая печь импульс на такой дефект переключает направление его спин электрона. 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] Обработка сигналов методы 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

Наноалмазы обладают такой же твердостью и химической стабильностью, что и алмазы видимого масштаба, что делает их кандидатами для таких применений, как полироли и присадки к моторным маслам, для улучшения смазка.[3]

Медицинское

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] Частицы флуоресцентных 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

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 амплификация рекомбиназной полимеразы, наноалмазы позволяют обнаруживать ВИЧ-1 по одной копии РНК по низкой цене испытание на боковой поток формат.

Доставки лекарств

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 доставки лекарств были продемонстрированы фундаментальные механизмы, термодинамика и кинетика адсорбции лекарств на наноалмазах изучены недостаточно. Важные факторы включают чистоту, химия поверхности, качество дисперсии, температура и ионный состав.

Наноалмазы (с прикрепленными молекулами) способны проникать через гематоэнцефалический барьер это изолирует мозг от большинства оскорблений. В 2013 доксорубицин молекулы (популярное лекарство от рака) были связаны с поверхностями наноалмаза, создавая 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

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]

Ухаживать за кожей

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

Во время операций по восстановлению челюстей и зубов врачи обычно используют инвазивную хирургию, чтобы наклеить губку, содержащую стимулятор роста костей. белки рядом с пораженным участком. Однако наноалмазы связываются с обоими костный морфогенетический белок и фактор роста фибробластов, которые способствуют развитию костей и хрящ для восстановления и может быть доставлен устно.[3] Наноалмаз также успешно включен в состав гуттаперчи при лечении корневых каналов.[24]

Анализ крови

Дефектные наноалмазы могут измерять ориентацию электронных спинов во внешних полях и, таким образом, измерять их силу. Они могут электростатически поглощать ферритин белки на поверхности алмаза, где их количество можно измерить напрямую, а также количество атомов железа (до 4500), составляющих белок.[3]

Электроника и датчики

Датчик

Естественные дефекты в наноалмазах, называемые азотно-вакансионные (N-V) центры, использовались для измерения изменений с течением времени в слабых магнитные поля, как компас с магнитным полем 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)

Недавние исследования показали, что наноразмерные алмазы могут изгибаться до локальной максимальной упругой деформации растяжения, превышающей 9%,[25] с соответствующим максимальным растягивающим напряжением, достигающим ~ 100 гигапаскалей, что делает их идеальными для высокопроизводительных наномеханических датчиков и приложений NEMS.

Оптические вычисления

Наноалмазы предлагают альтернативу фотонные метаматериалы за оптические вычисления. Те же наноалмазы с одним дефектом, которые можно использовать для измерения магнитных полей, также могут использовать комбинации зеленого и Инфракрасный свет для включения / нарушения светопропускания, позволяя построить транзисторы и другие элементы логики.[3]

Квантовые вычисления

Наноалмазы с NV-центрами могут служить твердотельной альтернативой захваченным ионам при комнатной температуре. квантовые вычисления.[3]

Призы и награды

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ а б c Офудзи, Хироаки; Ирифуне, Тецуо; Литасов, Константин Д .; Ямасита, Томохару; Исобэ, Футоши; Афанасьев, Валентин П .; Похиленко, Николай П. (2015). «Естественное появление чистого нанополикристаллического алмаза из ударного кратера». Научные отчеты. 5: 14702. Bibcode:2015НатСР ... 514702O. Дои:10.1038 / srep14702. ЧВК  4589680. PMID  26424384.
  2. ^ Chung, P.-H .; Переведенцева, Е .; Ченг, К.-Л. (2007). «Фотолюминесценция наноалмазов в зависимости от размера частиц». Наука о поверхности. 601 (18): 3866–3870. Bibcode:2007SurSc.601.3866C. Дои:10.1016 / j.susc.2007.04.150.
  3. ^ а б c d е ж грамм час я Файнберг, Эшли (9 апреля 2014 г.). «Как эти микроскопические алмазы будут формировать будущее». Gizmodo.
  4. ^ Мочалин, В. Н .; Шендерова, О .; Ho, D .; Гогоци, Ю. (2011). «Свойства и применение наноалмазов». Природа Нанотехнологии. 7 (1): 11–23. Дои: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:2004ФСС ... 46..595Д. Дои:10.1134/1.1711431. S2CID  121038737.
  6. ^ Zou, Q .; Li, Y.G .; Zou, L.H .; Ван, М.З. (2009). «Характеристика структур и поверхностных состояний наноалмазов, синтезированных методом детонации». Характеристики материалов. 60 (11): 1257–1262. Дои: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. Дои: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. Дои:10.1021 / ja8054063. PMID  19133766.
  9. ^ Рондин, Л .; 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». Физический обзор B. 82 (11): 115449. arXiv:1008.2276. Bibcode:2010PhRvB..82k5449R. Дои: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. Дои:10.3109/10799890903555665 (неактивно 11.11.2020).CS1 maint: DOI неактивен по состоянию на ноябрь 2020 г. (связь)
  12. ^ Фанг, Лейминг; Офудзи, Хироаки; Ирифунэ, Тецуо (2013). «Новая технология синтеза порошка наноалмазов». Журнал наноматериалов. 2013: 1–4. Дои:10.1155/2013/201845.
  13. ^ а б 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 инженерные науки. 365 (1861): 2845–2861. Bibcode:2007RSPTA.365.2845H. Дои:10.1098 / rsta.2007.0005. PMID  17855222. S2CID  8185618.
  14. ^ а б c d е «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 .; Юм, Х. Н. и Каппелларо, П. (2014). «Магнитное зондирование с временным разрешением с электронными спинами в алмазе». Nature Communications. 5: 3141. arXiv:1305.6082. Bibcode:2014 НатКо ... 5,3 141C. Дои:10.1038 / ncomms4141. PMID  24457937. S2CID  14914691.CS1 maint: использует параметр авторов (связь)
  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. Дои:10.1021 / jp066387v. PMID  17201422.
  18. ^ а б 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. Дои: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. Дои:10.1038 / ннано.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. Дои:10.1021 / ja0567081. PMID  16351080.
  21. ^ а б Faklaris, O .; Джоши, В .; Irinopoulou, T .; Tauc, P .; Sennour, M .; Girard, H .; Gesset, C .; Arnault, J.C .; Thorel, A .; Boudou, J. P .; Curmi, P.A .; Treussart, F. (2009). «Фотолюминесцентные алмазные наночастицы для маркировки клеток: изучение механизма захвата в клетках млекопитающих». САУ Нано. 3 (12): 3955–62. arXiv:0907.1148. Дои: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 Дж. Л .; МакКендри, Рэйчел А. (2020). «Спин-усиленный наноалмазный биосенсор для сверхчувствительной диагностики». Природа. 587: 588–593. Дои:10.1038 / s41586-020-2917-1.
  23. ^ Косовский, Нир; Гельман, Андрей; Гнатышин, Х. Джеймс; Раджгуру, Самир; Гаррелл, Робин Л .; Торбати, Шабнам; Freitas, Siobhan S.F .; Чоу, Ган-Муг (1995). "Алмазные наночастицы с модифицированной поверхностью как средства доставки антигена". Биоконъюгат Химия. 6 (5): 507–511. Дои: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 термопластического биоматериала с наноалмазами». PNAS. 114 (45): E9445 – E9454. Bibcode:2017PNAS..114E9445L. Дои:10.1073 / pnas.1711924114. ЧВК  5692571. PMID  29078364.
  25. ^ Банерджи, Амит; и другие. (2018). «Сверхбольшая упругая деформация наноразмерного алмаза». Наука. 360 (6386): 300–302. Дои:10.1126 / science.aar4165. PMID  29674589.
  26. ^ «Премия Фейнмана от Института Форсайта 2014 года». Институт Форсайта. Апрель 2015 г.