Nanodiamond , nanostructură diamant ultrafină - carbon . Are o rețea cristalină de tip diamant : o clasă planaxială de singonie cubică , două rețele Bravais centrate pe fețe , deplasate una față de alta cu 1/4 din diagonala principală. Dimensiunea caracteristică a unui nanocristal este de 1÷10 nanometri . Nanodiamantele, sau diamantele ultradispersate, pot fi considerate ca un material specific nanocarbon care este inclus în familia clusterelor de nanocarbon împreună cu fullerene , nanotuburi , nanografit, forma „ceapă” a carbonului . Particulele de diamant au proprietăți fizice și chimice diferite, care diferă de alte forme de carbon. Proprietățile nanodiamantelor depind în principal de metoda de producție.
Există mai multe moduri de a obține nanoparticule de diamant. Dintre acestea, următoarele sunt cele mai comune:
În URSS, sub îndrumarea lui E. I. Zababakhin, în 1962, oamenii de știință VNIITF K. V. Volkov, V. V. Danilenko și V. I. Elina au sintetizat diamante prin compresia șoc a grafitului și funinginei în fiole de depozitare sferice și cilindrice și pentru a crește volumul de diamante. s-a folosit comprimarea unui amestec de grafit cu un metal de răcire. În 1962, Danilenko a propus înlocuirea sintezei fiolei cu sinteza fără fiole cu explozii într-o cameră de explozie. În acest caz, grafitul a fost plasat direct într-o încărcătură cilindrică a aliajului TNT/RDX TG40, iar pentru a suprima grafitizarea și a reduce rata de descărcare a diamantului rezultat, sarcina a fost înconjurată de o înveliș de apă. Acest lucru a oferit o creștere bruscă a randamentului diamantelor. În iulie 1963, a fost efectuat un experiment de control cu o încărcătură fără grafit, care a confirmat ipoteza despre sinteza diamantului din carbonul produselor de detonare (PD). Pe baza diagramei de fază a carbonului și a valorilor P,t ale punctului Jouguet în timpul descompunerii prin detonare a unui exploziv, s-a demonstrat că carbonul liber ar trebui să se condenseze sub formă de diamant. În acest caz, explozivul trebuie să aibă un echilibru negativ de oxigen. Principalul avantaj al condensării carbonului atomic al produselor de detonare în comparație cu sinteza din grafit este că în acest proces nu este nevoie să cheltuiți energie și timp pentru a distruge sau rearanja rețeaua cristalină inițială a grafitului. Problema în acest caz este conservarea diamantului ultrafin (UDD) de la oxidare și grafitizare. În 1963-1965, a fost demonstrată importanța decisivă a răcirii FP datorită conversiei energiei potențiale FP în energia cinetică a învelișului care înconjoară sarcina. O sarcină PG 40 formată sub forma unui cilindru alungit a dat un randament UDD de 8-12% din masa încărcăturii cu un conținut UDD în sarcină de până la 75%. În SUA, primul raport privind sinteza UDD a apărut abia în 1988. Conținutul lor în funingine, conform autorilor, era de 25%. Astfel, Rusia are prioritate în sinteza nanodiamantelor de detonare. Cu toate acestea, în ciuda unei serii de lucrări experimentale de succes chiar la începutul anilor 1960, cercetările ulterioare au fost practic suspendate, deoarece cercetarea și producția de diamante sintetizate catalitic au fost intens dezvoltate în acel moment și introducerea de noi metode pentru sinteza UDD. a întâmpinat un obstacol din partea unei industrii nepregătite. În 1982, sinteza nanodiamantelor a fost lansată imediat în mai multe centre științifice ale URSS, cu toate acestea, capacitățile de producție au depășit semnificativ cererea de nanodiamante. În 1993, o serie de producții au fost reduse și până în 2003 nu au fost reluate. Până în prezent, facilitățile de producție ale DND au fost păstrate în Sankt Petersburg, Snezhinsk, Belarus și Ucraina. Recent, cercetătorii din întreaga lume au început să manifeste interes pentru DND.
DND se obține prin transformări chimice la frontul de undă de detonare în timpul exploziei explozivilor puternici (un amestec de TNT și RDX). Gazele formate în timpul detonării unui număr de explozivi conțin o cantitate semnificativă de carbon liber, din care, în condiții de temperatură și presiune ridicată atinsă în timpul exploziei, se formează faza diamantată a carbonului. Nanodiamondul este cea mai stabilă formă termodinamică de carbon. Până în prezent, nu există o teorie unificată a formării DND.Conform ideilor despre termodinamica formării DND, principalul aspect care asigură posibilitatea formării diamantului în procesul de descompunere adiabatică a carbonului exploziv cu bilanț negativ de oxigen este faptul că că carbonul liber se condensează în faza de diamant sau lichidă. Expansiunea adiabatică a produselor de detonare urmează detonării. În același timp, condițiile de stabilitate a diamantului nu sunt menținute mult timp. Dacă densitatea produselor de detonare este apropiată de densitatea inițială a explozivului, atunci condițiile pentru stabilitatea diamantului sunt înlocuite cu condițiile pentru stabilitatea grafitului. În timpul expansiunii adiabatice, presiunea produselor de detonare scade mai repede decât temperatura; prin urmare, starea termodinamică a componentei de carbon este în regiunea stabilității grafitului la temperatură ridicată, ceea ce contribuie la tranziția de fază a diamantului în grafit. Dar la o anumită temperatură, rata de grafitizare scade și, prin urmare, în aceste (ultime) etape ale expansiunii produselor de detonare, cantitatea de carbon transferată din faza de diamant în faza de grafit devine neglijabilă - aceasta este „înghețarea” a grafitizarea si conservarea fazei de diamant. Astfel, tranziția diamant-grafit are loc atunci când temperatura de îngheț de grafitizare este depășită. Dacă T>>Tzam, atunci întregul diamant are timp să se transforme în grafit, iar UDD nu este detectat în produsele de detonare răcite. Astfel, temperatura este critică, iar în acest proces este determinată în mare măsură de configurația sarcinii (conductivitatea termică a mediului). Condițiile optime pentru formarea unui UDD într-o undă de detonare și păstrarea acesteia sunt o presiune relativ mare la o temperatură scăzută a produselor de detonare, corespunzătoare punctului Chapman-Jouguet. Astfel, există 3 etape în sinteza detonării nanodiamantelor:
1. Formarea carbonului liber ca urmare a transformării prin detonare a unui exploziv.
2. Expansiunea rapidă a produselor de detonare și răcirea particulelor de diamant sub temperatura de grafitizare.
3. Transfer intensiv de căldură și masă între produsele de detonare și mediul din jurul încărcăturii.
De la sfârșitul anilor 1990, ND a fost utilizat ca componentă a absorbanților lubrifianți, compozițiilor de lustruire și ca aditiv la băile electrolitice și alte băi de precipitare. Până în prezent, multe aplicații potențiale ale acestui nanomaterial, inclusiv domeniile biomedicale și compozitele structurale, rămân neexploatate.
Sinteza de detonare a diamantelor este o metodă relativ ieftină și consumatoare de timp pentru producția de diamante artificiale. Cu toate acestea, dintre familia diamantelor artificiale, nanodiamantele de detonare ocupă în prezent poziția cea mai puțin avantajoasă. Acest lucru se datorează multor factori: tehnologia intensivă a forței de muncă de curățare a diamantelor din sinteza detonării, cauzată atât de un procent scăzut de carbon de diamant în produsele de detonare, cât și de poluarea suplimentară din camera de detonare; un grad ridicat de polidispersitate a acestora ca o consecinţă a spontaneităţii procesului de detonare. Dar principalul obstacol, aparent, în calea utilizării pe scară largă a DND este nereproductibilitatea produsului rezultat în loturi, exprimat în diferite dimensiuni, diferite compoziții elementare și funcționale; lipsa unui standard unic de parametri între diferiți producători și, în consecință, o definiție precisă a nanodiamondului sintezei detonației. Prin urmare, orice activitate de cercetare, modificare și găsire de noi domenii de aplicare a DND este relevantă, deoarece deschid modalități de utilizare a acestui produs. Acest lucru explică interesul crescut al cercetătorilor din întreaga lume în anii 2000 pentru nanodiamantele în general și pentru nanodiamantele cu detonare în special, ca fiind cele mai accesibile din întreaga familie de diamante.
În prezent, termenul de „nanodiamond” se aplică, în general, mai multor obiecte: cristale de nanodiamant găsite în meteoriți, granule cristaline de pelicule de diamant policristalin și, în final, pulberi și suspensii de nanodiamond obținute prin sinteza detonativă.
UDD poate fi obținut cu proprietățile dorite și utilizat cu succes ca absorbanți, catalizatori și medicamente.
Oamenii de știință de la Centrul de Cercetare. Ames de la NASA consideră că telescopul spațial în infraroșu Spitzer va fi capabil să detecteze diamante în spațiu. Folosind modele computerizate, cercetătorii au reușit să dezvolte o strategie pentru detectarea diamantelor cu lungimea de aproximativ un nanometru. Astronomii speră că aceste particule minuscule vor ajuta să învețe multe despre modul în care moleculele bogate în carbon, principalele componente ale vieții de pe Pământ, au evoluat în spațiu. Vezi și art. Ipoteza existenței posibile a particulelor de diamant în mediul interstelar a fost exprimată pentru prima dată în 1985 de VV Sobolev (Institutul de minerit, Dnepropetrovsk) la a III-a Conferință a Uniunii asupra detonării (Tallinn). Versiunea completă a raportului a fost publicată în 1987 în revista „Fizica combustiei și exploziei” (nr. 1), în 1993 în revista „Geochimie” (nr. 9). Articolul a luat în considerare un posibil scenariu pentru formarea diamantului din carbon atomic. În timpul formării planetelor SS în norul de praf și gaz protoplanetar, particulele de diamant au fost găsite și ca „material de construcție”, a cărui dimensiune a variat de la câteva unități la zeci de nanometri. Nanodiamantele împrăștiate în scoarța terestră au fost substraturi ideale pentru creșterea monocristalelor (diamantele din depozitele primare). S-a făcut o presupunere cu privire la cele mai probabile surse de nanodiamante relicve „cu naftalină”.
Potrivit Universității din California, Los Angeles, nanodiamantele pot fi folosite în stomatologie pentru a proteja canalele radiculare dezinfectate după îndepărtarea nervilor și a pulpei, crescând astfel semnificativ șansele unei recuperări complete. De asemenea, se remarcă faptul că combinația de nanodiamante cu gutaperca poate spori proprietățile protectoare ale acestuia din urmă.