Nanodiamant - Nanodiamond

Přírodní nanodiamantové agregáty z Kráter Popigai, Sibiř, Rusko.[1]
Vnitřní struktura Popigai nanodiamantů.[1]
Vnitřní struktura syntetických nanodiamantů.[1]
Elektronový mikrofotografie detonační nanodiamanty

Nanodiamantů nebo diamantové nanočástice jsou diamanty s velikostí pod 1 mikrometr.[2] Mohou být vyrobeny nárazové události jako je výbuch nebo meteoritické nárazy. Vzhledem k jejich levné, rozsáhlé syntéze, potenciálu povrchové funkcionalizace a vysoké biokompatibilitě jsou nanodiamanty široce zkoumány jako potenciální materiál v biologických a elektronických aplikacích a kvantovém inženýrství.[3][4]

Dějiny

Viz také: Detonační nanodiamant

V roce 1963 si sovětští vědci z All-Union Research Institute of Technical Physics všimli, že nanodiamant vytvořil jaderné výbuchy které používaly spouštěcí výbušniny na bázi uhlíku.[3][5]

Struktura a složení

Ve struktuře diamantu existují tři hlavní aspekty nanočástice je třeba vzít v úvahu: celkový tvar, jádro a povrch. Prostřednictvím několika difrakčních experimentů bylo zjištěno, že celkový tvar diamantových nanočástic je sférický nebo eliptický. V jádru diamantových nanočástic leží diamantová klec, která je složena převážně z uhlíků.[6] Zatímco jádro velmi připomíná strukturu diamantu, povrch diamantových nanočástic se ve skutečnosti podobá struktuře grafitu. Nedávná studie ukazuje, že povrch se skládá hlavně z uhlíků s vysokým množstvím fenolů, pyronů a kyseliny sulfonové, jakož i skupin karboxylových kyselin, hydroxylových skupin a epoxidových skupin, i když v menším množství.[7] Ve struktuře diamantových nanočástic lze občas najít defekty, jako jsou centra uvolňování dusíku. 15N NMR výzkum potvrzuje přítomnost takových defektů.[8] Nedávná studie ukazuje, že frekvence center uvolňování dusíku klesá s velikostí diamantových nanočástic.[9]

Oblečená žena, sedící, s mečem na klíně
Obrázek 1: Klasická „diamantová“ struktura: Krychle zaměřená na obličej s čtyřbokými otvory vyplněnými čtyřmi atomy
Oblečená žena, stojící, drží meč
Obrázek 2: Pohled A na centrum pro uvolnění dusíku: modré atomy představují atomy uhlíku, červený atom představuje atom dusíku nahrazující atom uhlíku a žlutý atom představuje volnou mřížku
Památník ženy v rouchu, stojící, v jedné ruce držel korunu a v druhé částečně opláštěný meč
Obrázek 3: Pohled B na centrum pro uvolnění dusíku

Výrobní metody

Obrázek 4: Grafitový uhlík (produkovaný jako vedlejší produkt detonační syntézy; částečně znázorněny interakce Van Der Waals)

Kromě explozí zahrnují metody syntézy hydrotermální syntézu, iontové bombardování, laserové bombardování, mikrovlnné plazmové techniky nanášení chemických par, ultrazvukovou syntézu,[10] a elektrochemická syntéza.[11] Rozklad grafitového C3N4 pod vysokým tlakem a vysokou teplotou navíc vede k velkému množství vysoce čistých diamantových nanočástic.[12] Detonační syntéza nanodiamantů se však stala průmyslovým standardem v komerční výrobě nanodiamantů: nejčastěji používanou výbušninou jsou směsi trinitrotoluenu a hexogenu nebo oktogenu. Detonace se často provádí v uzavřené komoře z nerezové oceli bez obsahu kyslíku a získá směs nanodiamantů v průměru 5 nm a dalších grafitických sloučenin.[13] Při detonační syntéze se nanodiamanty tvoří pod tlakem vyšším než 15 GPa a teplotami vyššími než 3 000 K v nepřítomnosti kyslíku, aby se zabránilo oxidaci diamantových nanočástic.[13] Rychlé ochlazení systému zvyšuje výtěžek nanodiamantů, protože diamant zůstává za těchto podmínek nejstabilnější fází. Při detonační syntéze se používají chladicí kapaliny na bázi plynu a kapaliny, jako je argon a voda, vodní pěny a led.[13] Protože detonační syntéza vede ke směsi nanodiamantových částic a jiných grafitických forem uhlíku, je třeba použít rozsáhlé čisticí metody k odstranění směsi nečistot. Obecně se k odstranění sp2 uhlíků a kovových nečistot používá ošetření plynným ozonem nebo oxidace kyseliny dusičné v roztoku.[13]

Potenciální aplikace

Porucha středu N-V se skládá z atomu dusíku namísto atomu uhlíku vedle volného místa (místo atomu místo prázdného místa) uvnitř struktury mřížky diamantu.[14] Nedávné pokroky (do roku 2019) v oblasti nanodiamantů v aplikacích kvantového snímání využívajících NV byly shrnuty v následujícím přehledu.[15]

Aplikace a mikrovlnná trouba pulz na takovou vadu přepne její směr elektronová rotace. Použití řady takových impulzů (Walshovy rozpojovací sekvence) způsobí, že budou fungovat jako filtry. Různé počty pulzů v sérii přepínaly směr otáčení různě často.[14] Efektivně extrahují spektrální koeficienty a potlačují dekoherenci, čímž zlepšují citlivost.[16] Zpracování signálu k rekonstrukci celého magnetického pole byly použity techniky.[14]

Prototyp používal čtvercový diamant o průměru 3 mm, ale technika se může zmenšit až na desítky nanometrů.[14]

Mikro abrazivní

Nanodiamanty sdílejí tvrdost a chemickou stabilitu diamantů ve viditelném měřítku, což z nich dělá kandidáty na aplikace, jako jsou leštidla a přísady do motorových olejů pro lepší mazání.[3]

Lékařský

Diamantové nanočástice mají potenciál k použití v nesčetných biologických aplikacích a díky svým jedinečným vlastnostem, jako je inertnost a tvrdost, se nanodiamanty mohou ukázat jako lepší alternativa k tradičním nanomateriálům, které se v současné době používají k přepravě léčiv, potahování implantovatelných materiálů a syntéze biosenzorů a biomedicínské roboty.[17] Nízká cytotoxicita diamantových nanočástic potvrzuje jejich využití jako biologicky kompatibilních materiálů.[17]

Studie in vitro zkoumající disperzi diamantových nanočástic v buňkách odhalily, že většina diamantových nanočástic vykazuje fluorescenci a je rovnoměrně distribuována.[18] Fluorescenční nanodiamantové částice lze hromadně vyrábět ozařováním diamantových nanokrystalů s ionty helia.[19] Fluorescenční nanodiamant je fotostabilní, chemicky inertní a má prodlouženou životnost fluorescence, což z něj činí skvělého kandidáta pro mnoho biologických aplikací.[20] Studie prokázaly, že malé fotoluminiscenční diamantové nanočástice, které zůstávají volné v cytosolu, jsou vynikajícími uchazeči o transport biomolekul.[21]

In-vitro diagnostika

Nanodiamanty obsahující defekty neobsazenosti dusíku byly použity jako ultrazvukový štítek pro diagnostiku in vitro pomocí mikrovlnného pole k modulaci intenzity emise a analýze frekvenční oblasti k oddělení signálu od autofluorescence pozadí.[22]. Zkombinováno s amplifikace rekombinázové polymerázy Nanodiamanty umožňují detekci HIV-1 v jedné kopii RNA za nízkou cenu zkouška bočního toku formát.

Dodávka léku

Diamantové nanočástice o velikosti ~ 5 nm nabízejí velký přístupný povrch a přizpůsobitelnou povrchovou chemii. Mají jedinečné optické, mechanické a tepelné vlastnosti a jsou netoxické. Potenciál nanodiamantu v dodávka léků bylo prokázáno, základní mechanismy, termodynamika a kinetika adsorpce léčiva na nanodiamant jsou špatně pochopeny. Mezi důležité faktory patří čistota, povrchová chemie, kvalita disperze, teplota a iontové složení.

Nanodiamanty (s připojenými molekulami) jsou schopné proniknout do hematoencefalická bariéra který izoluje mozek od většiny urážek. V roce 2013 doxorubicin molekuly (populární lék zabíjející rakovinu) byly navázány na nanodiamantové povrchy, čímž se vytvořila droga ND-DOX. Testy ukázaly, že nádory nebyly schopné vysunout sloučeninu, čímž se zvýšila schopnost léčiva ovlivnit nádor a snížily se vedlejší účinky.[3]

Větší nanodiamanty díky své „vysoké účinnosti absorpce“ mají potenciál sloužit jako buněčné štítky.[21] Studie dospěly k závěru, že diamantové nanočástice jsou podobné uhlíkovým nanotrubicím a po ošetření povrchově aktivními látkami se stabilita a biokompatibilita uhlíkových nanotrubiček i nanodiamantů v roztoku značně zvyšuje.[18] Navíc schopnost povrchově funkcionalizovat nanodiamanty malých průměrů poskytuje různé možnosti pro použití diamantových nanočástic jako bioznaček s potenciálně nízkou cytotoxicitou.[18]

Katalýza

Snižování velikosti částic a funkcionalizace jejich povrchů[18] může umožnit takovým povrchově modifikovaným diamantovým nanočásticím dodávat proteiny, které pak mohou poskytnout alternativu k tradičním katalyzátorům.[23]

Péče o kůži

Nanodiamanty jsou dobře absorbovány lidskou kůží. Absorbují také více přísad v produktech péče o pleť než pokožka samotná. Způsobují tak, že více složek pronikne do hlubších vrstev pokožky. Nanodiamanty také vytvářejí silné vazby s vodou a pomáhají hydratovat pokožku.[3]

Chirurgická operace

Během operací opravy čelistí a zubů lékaři obvykle používají invazivní chirurgii k nalepení houby obsahující stimulaci růstu kostí bílkoviny v blízkosti postižené oblasti. Nanodiamanty se však vážou na oba kostní morfogenetický protein a fibroblastový růstový faktor, které oba podporují kost a chrupavka znovu sestavit a lze je podat orálně.[3] Nanodiamant byl také úspěšně začleněn do gutaperče v terapii kořenových kanálků.[24]

Krevní testy

Vadné nanodiamanty mohou měřit orientaci otáčení elektronů ve vnějších polích a měřit tak jejich sílu. Mohou elektrostaticky absorbovat feritin proteiny na povrchu diamantu, kde lze přímo měřit jejich počet, stejně jako počet atomů železa (až 4500), které tvoří protein.[3]

Elektronika a senzory

Senzor

Přirozeně se vyskytující vady nanodiamantů zvané centra uvolňování dusíku (N-V), byly použity k měření změn v čase ve slabém magnetické pole, podobně jako kompas se zemským magnetickým polem. Senzory lze použít při pokojové teplotě, a protože se skládají výhradně z uhlíku, mohly by být injikovány do živých buněk, aniž by jim ublížily, říká Cappellaro.[14]

Nanomechanický senzor a nanoelektromechanický systém (NEMS)

Nedávné studie ukázaly, že diamanty v nanoměřítku lze ohýbat na lokální maximální tahové elastické přetažení přesahující 9%,[25] s odpovídajícím maximálním napětím v tahu dosáhlo ~ 100 gigapascalů, což je činí ideálními pro vysoce výkonné nanomechanické senzory a aplikace NEMS.

Optické výpočty

Nanodiamanty nabízejí alternativu k fotonické metamateriály pro optické výpočty. Stejné nanodiamanty s jedinou vadou, které lze použít ke snímání magnetických polí, mohou také používat kombinace zelené a infračervené světlo umožnit / narušit přenos světla a umožnit konstrukci tranzistory a další logické prvky.[3]

Kvantové výpočty

Nanodiamanty s centry NV mohou sloužit jako polovodičová alternativa k zachyceným iontům pro pokojovou teplotu kvantové výpočty.[3]

Ceny a ocenění

Viz také

Reference

  1. ^ A b C Ohfuji, Hiroaki; Irifune, Tetsuo; Litasov, Konstantin D .; Yamashita, Tomoharu; Isobe, Futoshi; Afanasiev, Valentin P .; Pokhilenko, Nikolai P. (2015). „Přirozený výskyt čistého nano-polykrystalického diamantu z impaktního kráteru“. Vědecké zprávy. 5: 14702. Bibcode:2015NatSR ... 514702O. doi:10.1038 / srep14702. PMC  4589680. PMID  26424384.
  2. ^ Chung, P.-H .; Perevedentseva, E .; Cheng, C.-L. (2007). "Fotoluminiscence nanodiamantů závislá na velikosti částic". Věda o povrchu. 601 (18): 3866–3870. Bibcode:2007SurSc.601.3866C. doi:10.1016 / j.susc.2007.04.150.
  3. ^ A b C d E F G h i Feinberg, Ashley (9. dubna 2014). „Jak tyto mikroskopické diamanty utváří budoucnost“. Gizmodo.
  4. ^ Mochalin, V. N .; Shenderova, O .; Ho, D .; Gogotsi, Y. (2011). "Vlastnosti a aplikace nanodiamantů". Přírodní nanotechnologie. 7 (1): 11–23. doi:10.1038 / nnano.2011.209. PMID  22179567.
  5. ^ Danilenko, V. V. (2004). „K historii objevu nanodiamantové syntézy“. Fyzika pevného stavu. 46 (4): 595–599. Bibcode:2004PhSS ... 46..595D. doi:10.1134/1.1711431. S2CID  121038737.
  6. ^ Zou, Q .; Li, Y.G .; Zou, L.H .; Wang, M.Z. (2009). "Charakterizace struktur a povrchových stavů nanodiamantu syntetizovaného detonací". Charakterizace materiálů. 60 (11): 1257–1262. doi:10.1016 / j.matchar.2009.05.008.
  7. ^ Paci, Jeffrey T .; Muž, Han B .; Saha, Biswajit; Ho, Dean; Schatz, George C. (2013). "Pochopení povrchů nanodiamantů". The Journal of Physical Chemistry C. 117 (33): 17256–17267. doi:10.1021 / jp404311a.
  8. ^ Fang, Xiaowen; Mao, Jingdong; Levin, E. M .; Schmidt-Rohr, Klaus (2009). "Nonaromatic Core-Shell Structure of Nanodiamond from Solid-State NMR Spectroscopy". Journal of the American Chemical Society. 131 (4): 1426–1435. doi:10.1021 / ja8054063. PMID  19133766.
  9. ^ Rondin, L .; Dantelle, G .; Slablab, A .; Grosshans, F .; Treussart, F .; Bergonzo, P .; Perruchas, S .; Gacoin, T .; Chaigneau, M .; Chang, H.-C .; Jacques, V .; Roch, J.-F. (2010). "Povrchově indukovaná konverze stavu náboje defektů neobsazenosti dusíku v nanodiamantech". Fyzický přehled B. 82 (11): 115449. arXiv:1008.2276. Bibcode:2010PhRvB..82k5449R. doi:10.1103 / PhysRevB.82.115449. S2CID  119217590.
  10. ^ "Ultrazvuková syntéza nanodiamantů". www.hielscher.com.
  11. ^ Kharisov, Boris I .; Kharissova, Oxana V .; Chávez-Guerrero, Leonardo (2010). „Techniky syntézy, vlastnosti a aplikace nanodiamantů“. Syntéza a reaktivita v anorganické, kovově-organické a nanokovové chemii. 40: 84–101. doi:10.3109/10799890903555665 (neaktivní 11. 11. 2020).CS1 maint: DOI neaktivní od listopadu 2020 (odkaz)
  12. ^ Fang, Leiming; Ohfuji, Hiroaki; Irifune, Tetsuo (2013). „Nová technika pro syntézu nanodiamantového prášku“. Journal of Nanomaterials. 2013: 1–4. doi:10.1155/2013/201845.
  13. ^ A b C d Holt, Katherine B. (2007). „Diamond at the nanoscale: Applications of diamond nanoparticles from cellular biomarkers to quantum computing“. Filozofické transakce Královské společnosti A: Matematické, fyzikální a technické vědy. 365 (1861): 2845–2861. Bibcode:2007RSPTA.365.2845H. doi:10.1098 / rsta.2007.0005. PMID  17855222. S2CID  8185618.
  14. ^ A b C d E „Použití nanodiamantů k přesné detekci nervových signálů“. Kurzweil AI. 27. ledna 2014.
  15. ^ Radtke, Mariusz; Bernardi, Ettore; Slablab, Abdallah; Nelz, Richard; Neu, Elke (9. září 2019). „Snímání v nanoměřítku založené na centrech neobsazenosti dusíku v monokrystalickém diamantu a nanodiamantech: úspěchy a výzvy“. arXiv:1909.03719v1 [physics.app-ph ].
  16. ^ Cooper, A .; Magesan, E .; Yum, H. N. a Cappellaro, P. (2014). "Časově rozlišené magnetické snímání s elektronickými rotacemi v diamantu". Příroda komunikace. 5: 3141. arXiv:1305.6082. Bibcode:2014NatCo ... 5.3141C. doi:10.1038 / ncomms4141. PMID  24457937. S2CID  14914691.CS1 maint: používá parametr autoři (odkaz)
  17. ^ A b Schrand, Amanda M .; Huang, Houjin; Carlson, Cataleya; Schlager, John J .; Awasawa, Eiji; Hussain, Sabre M .; Dai, Liming (2007). „Jsou diamantové nanočástice cytotoxické?“. The Journal of Physical Chemistry B. 111 (1): 2–7. doi:10.1021 / jp066387v. PMID  17201422.
  18. ^ A b C d Neugart, Felix; Zappe, Andrea; Jelezko, Fedor; Tietz, C .; Boudou, Jean Paul; Krueger, Anke; Wrachtrup, Jörg (2007). "Dynamika diamantových nanočástic v roztoku a buňkách". Nano dopisy. 7 (12): 3588–3591. Bibcode:2007NanoL ... 7,3588N. doi:10.1021 / nl0716303. PMID  17975943.
  19. ^ Chang, Yi-Ren; Lee, Hsu-Yang; Chen, Kowa; Chang, Chun-Chieh; Tsai, Dung-Sheng; Fu, Chi-Cheng; Lim, Tsong-Shin; Fang, Chia-Yi; Han, Chau-Chung; Chang, Huan-Cheng; Fann, Wunshain (2008). "Hromadná výroba a dynamické zobrazování fluorescenčních nanodiamantů". Přírodní nanotechnologie. 3 (5): 284–288. doi:10.1038 / nnano.2008.99. PMID  18654525.
  20. ^ Yu, Shu-Jung; Kang, Ming-Wei; Chang, Huan-Cheng; Chen, Kuan-Ming; Yu, Yueh-Chung (2005). „Bright Fluorescent Nanodiamonds: No Photobleaching and Low Cytotoxicity“. Journal of the American Chemical Society. 127 (50): 17604–17605. doi:10.1021 / ja0567081. PMID  16351080.
  21. ^ A b Faklaris, O .; Joshi, V .; Irinopoulou, T .; Tauc, P .; Sennour, M .; Girard, H .; Gesset, C .; Arnault, J. C .; Thorel, A .; Boudou, J. P .; Curmi, P. A .; Treussart, F. (2009). „Fotoluminiscenční diamantové nanočástice pro značení buněk: Studie mechanismu absorpce v buňkách savců“. ACS Nano. 3 (12): 3955–62. arXiv:0907.1148. doi:10.1021 / nn901014j. PMID  19863087. S2CID  1261084.
  22. ^ Miller, Benjamin S .; Bezinge, Léonard; Gliddon, Harriet D .; Huang, Da; Dold, Gavin; Gray, Eleanor R .; Heaney, Judith; Dobson, Peter J .; Nastouli, Eleni; Morton, John J. L .; McKendry, Rachel A. (2020). „Nanodiamantové biosenzování se spinem pro ultrazvukovou diagnostiku“. Příroda. 587: 588–593. doi:10.1038 / s41586-020-2917-1.
  23. ^ Kossovsky, Nir; Gelman, Andrew; Hnatyszyn, H. James; Rajguru, Samir; Garrell, Robin L .; Torbati, Shabnam; Freitas, Siobhan S. F .; Chow, Gan-Moog (1995). „Povrchově upravené diamantové nanočástice jako vozidla dodávající antigeny“. Chemie biokonjugátu. 6 (5): 507–511. doi:10.1021 / bc00035a001. PMID  8974446.
  24. ^ Lee, Dong-Keun; Lee, Theordore; Liang, Zhangrui; Hsiou, Desiree; Miya, Darron; Wu, Brian; Osawa, Eiji; Chow, Edward Kai-Hua; Sung, Eric C; Kang, Mo K .; Ho, Dean (2017). „Klinická validace termoplastického biomateriálu zanořeného v nanodiamantu“. PNAS. 114 (45): E9445 – E9454. Bibcode:2017PNAS..114E9445L. doi:10.1073 / pnas.1711924114. PMC  5692571. PMID  29078364.
  25. ^ Banerjee, Amit; et al. (2018). "Ultralarge elastická deformace diamantu v měřítku". Věda. 360 (6386): 300–302. doi:10.1126 / science.aar4165. PMID  29674589.
  26. ^ „Cena Feynmanova institutu Foresight Institute 2014“. Foresight Institute. Dubna 2015.