Nanodiamant
Nanodiamanter , eller diamantnanopartiklar , är diamanter med en storlek under 100 nanometer . De kan produceras av nedslagshändelser som en explosion eller meteoritiska nedslag. På grund av deras billiga, storskaliga syntes, potential för ytfunktionalisering och höga biokompatibilitet , undersöks nanodiamanter allmänt som ett potentiellt material i biologiska och elektroniska applikationer och kvantteknik .
Historia
1963 märkte sovjetiska forskare vid All-Union Research Institute of Technical Physics att nanodiamanter skapades av kärnkraftsexplosioner som använde kolbaserade utlösarsprängämnen.
Struktur och sammansättning
Det finns tre huvudaspekter i strukturen av diamantnanopartiklar att beakta: den övergripande formen, kärnan och ytan. Genom flera diffraktionsexperiment har det fastställts att den övergripande formen av diamantnanopartiklar är antingen sfärisk eller elliptisk. I kärnan av diamantnanopartiklar ligger en diamantbur, som huvudsakligen består av kol. Medan kärnan nära liknar strukturen hos en diamant, liknar ytan av diamantnanopartiklar faktiskt strukturen hos grafit. En färsk studie visar att ytan huvudsakligen består av kol, med höga mängder fenoler, pyroner och sulfonsyra, samt karboxylsyragrupper, hydroxylgrupper och epoxidgrupper, dock i mindre mängder. Ibland kan defekter som kvävevakanscentra hittas i strukturen hos diamantnanopartiklar. 15N NMR-forskning bekräftar förekomsten av sådana defekter. En nyligen genomförd studie visar att frekvensen av vakanscentra för kväve minskar med storleken på diamantnanopartiklar.
Produktionsmetoder
Förutom explosioner inkluderar syntesmetoder hydrotermisk syntes, jonbombardemang, laserbombardement, kemiska ångdepositionstekniker i mikrovågsplasma, ultraljudssyntes och elektrokemisk syntes. Dessutom ger sönderdelningen av grafitisk C 3 N 4 under högt tryck och hög temperatur stora mängder diamantnanopartiklar med hög renhet. Emellertid har detonationssyntes av nanodiamanter blivit industristandard för kommersiell produktion av nanodiamanter: de mest använda sprängämnena är blandningar av trinitrotoluen och hexogen eller oktogen. Detonation utförs ofta i en förseglad, syrefri kammare av rostfritt stål och ger en blandning av nanodiamanter på i genomsnitt 5 nm och andra grafitiska föreningar. Vid detonationssyntes bildas nanodiamanter under tryck över 15 GPa och temperaturer högre än 3000K i frånvaro av syre för att förhindra oxidation av diamantnanopartiklar. Den snabba kylningen av systemet ökar nanodiamantutbytet eftersom diamant förblir den mest stabila fasen under sådana förhållanden. Detonationssyntesen använder gasbaserade och vätskebaserade kylmedel som argon och vatten, vattenbaserat skum och is. Eftersom detonationssyntes resulterar i en blandning av nanodiamantpartiklar och andra grafitiska kolformer måste omfattande rengöringsmetoder användas för att befria blandningen från föroreningar. I allmänhet används gasformig ozonbehandling eller salpetersyraoxidation i lösningsfas för att avlägsna sp2-kol och metallföroreningar. Nanodiamanter bildas också genom dissociation av etanolånga. och via ultrasnabb laserfilamentering i etanol.
Potentiella applikationer
NV-centrumdefekten består av en kväveatom i stället för en kolatom bredvid en tom plats (tomt utrymme istället för en atom) inom diamantens gitterstruktur. De senaste framstegen (fram till 2019) inom området för nanodiamanter i kvantavkänningsapplikationer med användning av NVs har sammanfattats i följande recension.
Att applicera en mikrovågspuls på en sådan defekt ändrar riktningen för dess elektronspin . Att applicera en serie av sådana pulser (Walsh-avkopplingssekvenser) får dem att fungera som filter. Genom att variera antalet pulser i en serie ändrades spinriktningen ett annat antal gånger. De extraherar effektivt spektrala koefficienter samtidigt som de undertrycker dekoherens, vilket förbättrar känsligheten. Signalbehandlingstekniker användes för att rekonstruera hela magnetfältet.
Prototypen använde en kvadratisk diamant med 3 mm diameter, men tekniken kan skalas ner till tiotals nanometer.
Mikroslipmedel
Nanodiamanter delar hårdheten och den kemiska stabiliteten hos diamanter i synlig skala, vilket gör dem till kandidater för applikationer som polermedel och motoroljetillsatser för förbättrad smörjning .
Medicinsk
Diamantnanopartiklar har potential att användas i otaliga biologiska tillämpningar och på grund av deras unika egenskaper som tröghet och hårdhet kan nanodiamanter visa sig vara ett bättre alternativ till de traditionella nanomaterial som för närvarande används för att bära läkemedel, belägga implanterbara material och syntetisera biosensorer och biomedicinska robotar. Den låga cytotoxiciteten hos diamantnanopartiklar bekräftar deras användning som biologiskt kompatibla material.
In vitro-studier som utforskar spridningen av diamantnanopartiklar i celler har visat att de flesta diamantnanopartiklar uppvisar fluorescens och är jämnt fördelade. Fluorescerande nanodiamantpartiklar kan massproduceras genom att bestråla diamantnanokristalliter med heliumjoner. Fluorescerande nanodiamant är fotostabil, kemiskt inert och har förlängd fluorescerande livslängd, vilket gör den till en utmärkt kandidat för många biologiska tillämpningar. Studier har visat att små fotoluminescerande diamantnanopartiklar som förblir fria i cytosolen är utmärkta utmanare för transport av biomolekyler.
In vitro diagnostik
Nanodiamanter som innehåller kvävevakansdefekter har använts som en ultrakänslig märkning för in vitro-diagnostik, med användning av ett mikrovågsfält för att modulera emissionsintensitet och frekvensdomänanalys för att separera signalen från bakgrundsautofluorescens. I kombination med amplifiering av rekombinaspolymeras möjliggör nanodiamanter detektion av HIV-1 RNA i en kopia på ett billigt lateralt flödestestformat .
Drogleverans
Diamantnanopartiklar av ~5 nm i storlek erbjuder en stor tillgänglig yta och skräddarsydd ytkemi. De har unika optiska, mekaniska och termiska egenskaper och är giftfria. Potentialen för nanodiamant i läkemedelsleverans har visats, grundläggande mekanismer, termodynamik och kinetik för läkemedelsadsorption på nanodiamant är dåligt förstådda. Viktiga faktorer inkluderar renhet, ytkemi , dispersionskvalitet, temperatur och jonsammansättning.
Nanodiamanter (med bifogade molekyler) kan penetrera blod-hjärnbarriären som isolerar hjärnan från de flesta förolämpningar. 2013 doxorubicinmolekyler (ett populärt cancerdödande läkemedel) till nanodiamantytor, vilket skapade läkemedlet ND-DOX. Tester visade att tumörer inte kunde skjuta ut substansen, vilket ökade läkemedlets förmåga att påverka tumören och minskade biverkningar.
Större nanodiamanter har, på grund av sin "höga upptagseffektivitet", potential att fungera som cellulära etiketter. Studier har kommit fram till att diamantnanopartiklar liknar kolnanorör och när de behandlas med ytaktiva ämnen ökar stabiliteten och biokompatibiliteten för både kolnanorör och nanodiamanterna i lösning avsevärt. Dessutom ger förmågan att ytfunktionalisera nanodiamanter med små diametrar olika möjligheter för diamantnanopartiklar att användas som biomärkningar med potentiellt låg cytotoxicitet.
Katalys
Minskad partikelstorlek och funktionalisering av deras ytor kan tillåta sådana ytmodifierade diamantnanopartiklar att leverera proteiner, som sedan kan utgöra ett alternativ till traditionella katalysatorer.
Hudvård
Nanodiamanter absorberas väl av mänsklig hud. De absorberar också mer av ingredienserna i hudvårdsprodukter än huden själv. På så sätt får de fler av ingredienserna att penetrera de djupare lagren av huden. Nanodiamanter bildar också starka bindningar med vatten, vilket hjälper till att återfukta huden.
Kirurgi
Under käk- och tandreparationsoperationer använder läkare normalt invasiv kirurgi för att sticka en svamp som innehåller bentillväxtstimulerande proteiner nära det drabbade området. Men nanodiamanter binder till både benmorfogenetiskt protein och fibroblasttillväxtfaktor , som båda uppmuntrar ben och brosk att återuppbyggas och kan tillföras oralt. Nanodiamond har också framgångsrikt införlivats i guttaperka vid rotbehandling.
Blodprov
Defekta nanodiamanter kan mäta orienteringen av elektronsnurr i yttre fält och därmed mäta deras styrka. De kan elektrostatiskt absorbera ferritinproteiner på diamantytan där deras antal kan mätas direkt liksom antalet järnatomer (så många som 4 500) som utgör proteinet.
Elektronik och sensorer
Sensor
Naturligt förekommande defekter i nanodiamanter som kallas kvävevakanscenter (NV) har använts för att mäta förändringar över tid i svaga magnetfält , ungefär som en kompass gör med jordens magnetfält. Sensorerna kan användas i rumstemperatur, och eftersom de helt består av kol kan de injiceras i levande celler utan att orsaka dem någon skada, säger Paola Cappellaro .
Nanomekanisk sensor och nanoelektromekaniskt system (NEMS)
Nyligen genomförda studier har visat att diamanter i nanoskala kan böjas till en lokal maximal dragelastisk töjning på över 9 %, med motsvarande maximala dragspänning nådd ~100 gigapascal, vilket gör dem idealiska för högpresterande nanomekaniska sensorer och NEMS-applikationer.
Optisk beräkning
Nanodiamanter erbjuder ett alternativ till fotoniska metamaterial för optisk beräkning . Samma enkeldefekta nanodiamanter som kan användas för att känna av magnetfält kan också använda kombinationer av grönt och infrarött ljus för att möjliggöra/störa ljustransmission, vilket möjliggör konstruktion av transistorer och andra logiska element.
Kvantberäkning
Nanodiamanter med NV-centra kan fungera som ett solid state-alternativ till fångade joner för rumstemperatur kvantberäkning .
Avbildning
Fluorescerande nanodiamanter erbjuder en stabil referens för kvalitetskontrollsyften i fluorescens och multiharmoniska bildsystem.
Priser och utmärkelser
- 2012 Ig Nobels fredspris : SKN Company, för att omvandla gammal rysk ammunition till nya diamanter
- 2015 fick Amanda Barnard , vetenskapsledare vid Australiens kontor för Chief Executive (OCE), The Commonwealth Scientific and Industrial Research Organisation (CSIRO), Teoripriset vid Foresight Institutes Feynman Awards för nanoteknik. Med hjälp av teoretiska och beräkningsmetoder ökade Amanda Barnard förståelsen för strukturen och stabiliteten hos kolnanostrukturer och vilken roll form spelar för att etablera egenskaper och interaktioner under olika förhållanden. Priset som tillkännagavs fokuserade på hennes arbete med diamantnanopartiklar (nanodiamanter).
Se även
- Aggregerad diamant nanorod , en nanokristallin form av diamant även känd som nanodiamant eller hyperdiamant
- Detonation nanodiamond