Nanoelmas - Nanodiamond

Popigai kraterinden doğal nanoelmas topları , Sibirya, Rusya.
Popigai nanoelmaslarının iç yapısı.
Sentetik nano elmasların iç yapısı.
Patlama nanoelmaslarının elektron mikrografı

Nanodiamonds veya elmas nanopartiküller , boyutu 1 mikrometrenin altında olan elmaslardır . Patlama veya meteoritik etkiler gibi çarpma olaylarıyla üretilebilirler . Ucuz, büyük ölçekli sentezleri, yüzey işlevselleştirme potansiyelleri ve yüksek biyouyumlulukları nedeniyle , nano elmaslar biyolojik ve elektronik uygulamalarda ve kuantum mühendisliğinde potansiyel bir malzeme olarak geniş çapta araştırılmaktadır .

Tarih

Ayrıca bakınız: Patlama nanoelmas

1963'te All-Union Teknik Fizik Araştırma Enstitüsü'ndeki Sovyet bilim adamları, nanoelmasların karbon bazlı tetikleyici patlayıcılar kullanan nükleer patlamalar tarafından yaratıldığını fark ettiler .

Yapı ve kompozisyon

Elmas nanoparçacıklarının yapısında dikkate alınması gereken üç ana yön vardır : genel şekil, çekirdek ve yüzey. Çoklu kırınım deneyleri yoluyla, elmas nanoparçacıkların genel şeklinin ya küresel ya da eliptik olduğu belirlendi. Elmas nanoparçacıklarının merkezinde, esas olarak karbonlardan oluşan bir elmas kafesi bulunur. Çekirdek bir elmasın yapısına çok benzerken, elmas nanoparçacıkların yüzeyi aslında grafitin yapısına benzer. Yakın tarihli bir çalışma, yüzeyin esas olarak karbonlardan oluştuğunu, yüksek miktarlarda fenoller, pironlar ve sülfonik asitin yanı sıra daha az miktarlarda da olsa karboksilik asit grupları, hidroksil grupları ve epoksit gruplarından oluştuğunu göstermektedir. Bazen, elmas nanoparçacıkların yapısında nitrojen boşluk merkezleri gibi kusurlar bulunabilir. 15N NMR araştırması, bu tür kusurların varlığını doğrular. Yakın zamanda yapılan bir çalışma, elmas nanoparçacıkların boyutu ile nitrojen boşluk merkezlerinin sıklığının azaldığını göstermektedir.

Cüppeli kadın, oturmuş, kucağında kılıçla
Şekil 1: Klasik "Elmas" Yapı: Dört Atomla Dolu Dörtyüzlü Deliklere Sahip Yüz Merkezli Kübik
Bir kılıç tutan cüppeli kadın, ayakta,
Şekil 2: Azot Boşluğu Merkezinin A Görünümü: mavi atomlar Karbon atomlarını temsil eder, kırmızı atom bir Karbon atomunun yerini alan Azot atomunu temsil eder ve sarı atom bir kafes boşluğunu temsil eder
Ayakta duran, bir elinde taç, diğerinde kısmen kınında bir kılıç tutan cüppeli kadın anıtı
Şekil 3: Azot Boşluğu Merkezinin B Görünümü

Üretim yöntemleri

Şekil 4: Grafit Karbon (patlama sentezinin yan ürünü olarak üretilmiştir; Van Der Waals etkileşimleri kısmen gösterilmiştir)

Patlamalar dışında, sentez yöntemleri arasında hidrotermal sentez, iyon bombardımanı, lazer bombardımanı, mikrodalga plazma kimyasal buhar biriktirme teknikleri, ultrason sentezi ve elektrokimyasal sentez bulunur. Ek olarak, yüksek basınç ve yüksek sıcaklık altında grafit C3N4'ün ayrışması, büyük miktarlarda yüksek saflıkta elmas nanoparçacıklar verir. Bununla birlikte, nanoelmasların patlama sentezi, nanoelmasların ticari üretiminde endüstri standardı haline gelmiştir: en yaygın olarak kullanılan patlayıcılar, trinitrotoluen ve heksojen veya oktojen karışımlarıdır. Patlama genellikle sızdırmaz, oksijensiz, paslanmaz çelik bir odada gerçekleştirilir ve ortalama 5 nm'lik bir nanoelmas ve diğer grafit bileşiklerin bir karışımını verir. Patlama sentezinde, elmas nanoparçacıkların oksidasyonunu önlemek için oksijen yokluğunda 15 GPa'dan daha yüksek basınçlar ve 3000 K'den daha yüksek sıcaklıklarda nano elmaslar oluşur. Sistemin hızlı soğutulması, elmas bu koşullar altında en kararlı faz olarak kaldığından nanoelmas verimini artırır. Patlama sentezi, argon ve su, su bazlı köpükler ve buz gibi gaz bazlı ve sıvı bazlı soğutucuları kullanır. Patlama sentezi, nanoelmas parçacıklarının ve diğer grafit karbon formlarının bir karışımıyla sonuçlandığından, kirlilik karışımını gidermek için kapsamlı temizleme yöntemleri kullanılmalıdır. Genel olarak, sp2 karbonlarını ve metal safsızlıklarını gidermek için gazlı ozon işlemi veya çözelti fazlı nitrik asit oksidasyonu kullanılır.

Potansiyel uygulamalar

NV merkez kusuru, elmasın kafes yapısı içindeki bir boşluğun (atom yerine boş alan) yanında bir karbon atomu yerine bir nitrojen atomundan oluşur. NV'leri kullanan kuantum algılama uygulamalarında nano elmaslar alanındaki son gelişmeler (2019'a kadar) aşağıdaki incelemede özetlenmiştir.

Böyle bir kusura mikrodalga darbesi uygulamak , elektron dönüşünün yönünü değiştirir . Bu tür darbelerin (Walsh ayrıştırma dizileri) bir dizi uygulanması, bunların filtre görevi görmelerine neden olur. Bir serideki darbe sayısının değiştirilmesi, dönüş yönünü farklı sayıda değiştirdi. Eşevresizliği bastırırken spektral katsayıları verimli bir şekilde çıkarırlar, böylece hassasiyeti artırırlar. Tüm manyetik alanı yeniden yapılandırmak için sinyal işleme teknikleri kullanıldı.

Prototip, 3 mm çapında bir kare elmas kullandı, ancak teknik, onlarca nanometreye kadar ölçeklenebilir.

mikro aşındırıcı

Nanodiamonds, görünür ölçekli elmasların sertliğini ve kimyasal kararlılığını paylaşır ve bu da onları daha iyi yağlama için cilalar ve motor yağı katkı maddeleri gibi uygulamalar için aday yapar .

Tıbbi

Elmas nanoparçacıklar sayısız biyolojik uygulamada kullanılma potansiyeline sahiptir ve eylemsizlik ve sertlik gibi benzersiz özellikleri nedeniyle nano elmaslar, şu anda ilaç taşımak, implante edilebilir malzemeleri kaplamak ve biyosensörleri sentezlemek için kullanılan geleneksel nanomalzemelere daha iyi bir alternatif olabilir. biyomedikal robotlar. Elmas nanoparçacıkların düşük sitotoksisitesi, biyolojik olarak uyumlu malzemeler olarak kullanımlarını doğrular.

Elmas nanoparçacıklarının hücrelerdeki dağılımını araştıran in vitro çalışmalar, elmas nanoparçacıkların çoğunun flüoresans sergilediğini ve düzgün bir şekilde dağıldığını ortaya çıkarmıştır. Floresan nano elmas parçacıkları, elmas nanokristallerin helyum iyonları ile ışınlanması yoluyla kütlesel olarak üretilebilir. Floresan nanoelmas fotostabildir, kimyasal olarak inerttir ve floresan ömrünü uzatarak birçok biyolojik uygulama için mükemmel bir adaydır. Çalışmalar, sitozolde serbest kalan küçük fotolüminesan elmas nanoparçacıkların biyomoleküllerin taşınması için mükemmel yarışmacılar olduğunu göstermiştir.

in vitro teşhis

Azot-boşluk kusurları içeren nanoelmaslar, emisyon yoğunluğunu modüle etmek için bir mikrodalga alanı ve sinyali arka plan otofloresansından ayırmak için frekans-alan analizi kullanılarak, in vitro teşhis için aşırı duyarlı bir etiket olarak kullanılmıştır. Rekombinaz polimeraz amplifikasyonu ile birlikte nanodiamonds, HIV-1 RNA'nın düşük maliyetli bir yanal akış test formatında tek kopya olarak saptanmasını sağlar .

İlaç teslimi

~ 5 nm boyutundaki elmas nanoparçacıklar, geniş bir erişilebilir yüzey ve uyarlanabilir yüzey kimyası sunar. Benzersiz optik, mekanik ve termal özelliklere sahiptirler ve toksik değildirler. Nanoelmas'ın ilaç dağıtımındaki potansiyeli gösterilmiştir, nanoelmas üzerinde ilaç adsorpsiyonunun temel mekanizmaları, termodinamiği ve kinetiği tam olarak anlaşılmamıştır. Önemli faktörler arasında saflık, yüzey kimyası , dağılım kalitesi, sıcaklık ve iyonik bileşim yer alır.

Nanodiamonds (bağlı moleküllerle) , beyni çoğu hakaretten izole eden kan-beyin bariyerini geçebilir . 2013 yılında doksorubisin molekülleri (popüler bir kanser öldürücü ilaç) nanoelmas yüzeylere bağlanarak ND-DOX ilacını oluşturdu . Testler, tümörlerin bileşiği çıkaramadığını, ilacın tümörü etkileme kabiliyetini arttırdığını ve yan etkileri azalttığını gösterdi.

Daha büyük nano elmaslar, "yüksek alım verimliliği" nedeniyle hücresel etiketler olarak hizmet etme potansiyeline sahiptir. Çalışmalar, elmas nanoparçacıkların karbon nanotüplere benzer olduğu ve yüzey aktif maddelerle muamele edildikten sonra, hem karbon nanotüplerin hem de çözeltideki nano elmasların stabilitesi ve biyouyumluluğunun büyük ölçüde arttığı sonucuna varmıştır. Ek olarak, küçük çaplı nano elmasları yüzey işlevselleştirme yeteneği, elmas nanoparçacıkların potansiyel olarak düşük sitotoksisiteye sahip biyolojik etiketler olarak kullanılması için çeşitli olanaklar sağlar.

Kataliz

Parçacık boyutunun azaltılması ve yüzeylerinin işlevselleştirilmesi, bu tür yüzeyi modifiye edilmiş elmas nanoparçacıkların, daha sonra geleneksel katalizörlere bir alternatif sağlayabilecek proteinleri teslim etmesine izin verebilir.

Cilt bakımı

Nanodiamonds insan derisi tarafından iyi emilir. Ayrıca cilt bakım ürünlerindeki bileşenlerin çoğunu cildin kendisinden daha fazla emerler. Böylece daha fazla içeriğin cildin daha derin katmanlarına nüfuz etmesine neden olurlar. Nanodiamonds ayrıca su ile güçlü bağlar oluşturarak cildi nemlendirmeye yardımcı olur.

Ameliyat

Çene ve diş onarım operasyonları sırasında doktorlar normalde kemik büyümesini uyarıcı proteinler içeren bir süngeri etkilenen bölgenin yakınına yapıştırmak için invaziv cerrahi kullanırlar . Bununla birlikte, nanodiamonds bağlanan hem de kemik morfogenetik protein ve fibroblast büyüme faktörü , kemik ve teşvik, her ikisi de kıkırdak yeniden ve oral yoldan olabilir. Nanodiamond ayrıca kök kanal tedavisinde güta perkaya başarıyla dahil edilmiştir.

Kan testi

Kusurlu nano elmaslar, elektron dönüşlerinin dış alanlardaki yönünü ölçebilir ve böylece güçlerini ölçebilir. Sayılarının doğrudan ölçülebildiği elmas yüzeyindeki ferritin proteinlerini elektrostatik olarak absorbe edebilirler ve aynı zamanda proteini oluşturan demir atomlarının sayısı (4,500'e kadar) olabilir.

Elektronik ve sensörler

sensör

Nitrojen boşluğu (NV) merkezleri olarak adlandırılan nano elmaslarda doğal olarak oluşan kusurlar , tıpkı bir pusulanın dünyanın manyetik alanıyla yaptığı gibi, zayıf manyetik alanlardaki zaman içindeki değişiklikleri ölçmek için kullanılmıştır . Paola Cappellaro , sensörlerin oda sıcaklığında kullanılabileceğini ve tamamen karbondan oluştuğu için canlı hücrelere zarar vermeden enjekte edilebileceğini söylüyor.

Nanomekanik sensör ve nanoelektromekanik sistem (NEMS)

Son çalışmalar, nano ölçekli elmasların %9'u aşan bir yerel maksimum çekme elastik gerilmesine bükülebildiğini ve buna karşılık gelen maksimum çekme geriliminin ~100 gigapaskal'a ulaştığını ve bu da onları yüksek performanslı nanomekanik sensör ve NEMS uygulamaları için ideal hale getirdiğini göstermiştir.

optik bilgi işlem

Nanodiamonds , optik hesaplama için fotonik metamalzemelere bir alternatif sunuyor . Manyetik alanları algılamak için kullanılabilen aynı tek kusurlu nano elmaslar, ışık iletimini etkinleştirmek/bozmak için yeşil ve kızılötesi ışık kombinasyonlarını da kullanabilir ve bu da transistörlerin ve diğer mantık öğelerinin yapımına olanak tanır .

Kuantum hesaplama

NV merkezlerine sahip nano elmaslar, oda sıcaklığında kuantum hesaplama için sıkışmış iyonlara katı hal alternatifi olarak hizmet edebilir .

Ödüller ve ödüller

Ayrıca bakınız

Referanslar