Nanodiamante , nanoestructura ultrafina de carbono y diamante . Tiene una red cristalina de tipo diamante : una clase planaxial de singonía cúbica , dos redes de Bravais centradas en las caras , desplazadas entre sí por 1/4 de la diagonal principal. El tamaño característico de un nanocristal es de 1÷10 nanómetros . Los nanodiamantes, o diamantes ultradispersos, se pueden considerar como un material de nanocarbono específico que se incluye en la familia de grupos de nanocarbono junto con fullerenos , nanotubos , nanografito, la forma de "cebolla" de carbono . Las partículas de diamante tienen diferentes propiedades físicas y químicas que las diferencian de otras formas de carbono. Las propiedades de los nanodiamantes dependen esencialmente del método de producción.
Hay varias formas de obtener nanopartículas de diamante. Entre ellos, los siguientes son los más comunes:
En la URSS, bajo la dirección de E. I. Zababakhin, en 1962, los científicos de VNIITF K. V. Volkov, V. V. Danilenko y V. I. Elina sintetizaron diamantes por compresión de choque de grafito y hollín en ampollas de almacenamiento esféricas y cilíndricas, y en 1963 para aumentar el rendimiento de diamante , se utilizó la compresión de una mezcla de grafito con un metal refrigerante. En 1962, Danilenko propuso reemplazar la síntesis de ampollas por una síntesis sin ampollas con explosiones en una cámara de explosión. En este caso, el grafito se colocó directamente en una carga cilíndrica de la aleación TNT/RDX TG40 y, para suprimir la grafitización y reducir la velocidad de descarga del diamante resultante, la carga se rodeó de una capa de agua. Esto proporcionó un fuerte aumento en el rendimiento del diamante. En julio de 1963 se llevó a cabo un experimento de control con una carga sin grafito, que confirmó la suposición sobre la síntesis de diamante a partir del carbono de los productos de detonación (PD). Con base en el diagrama de fase del carbono y los valores P,t del punto de Jouguet durante la descomposición por detonación de un explosivo, se demostró que el carbono libre debe condensarse en forma de diamante. En este caso, el explosivo debe tener un balance de oxígeno negativo. La principal ventaja de la condensación de carbono atómico de los productos de detonación en comparación con la síntesis a partir de grafito es que en este proceso no hay necesidad de gastar energía y tiempo para destruir o reorganizar la red cristalina inicial de grafito. El problema en este caso es la preservación del diamante ultrafino (UDD) de la oxidación y la grafitización. En 1963-1965, se demostró la importancia decisiva del enfriamiento de FP debido a la conversión de la energía potencial de FP en energía cinética de la capa que rodea la carga. Una carga de PG 40 formada en forma de cilindro alargado dio un rendimiento de UDD del 8 al 12 % de la masa de la carga con un contenido de UDD en la carga de hasta el 75 %. En los EE. UU., el primer informe sobre la síntesis de UDD apareció solo en 1988. Su contenido en hollín, según los autores, fue del 25%. Por lo tanto, Rusia tiene prioridad en la síntesis de nanodiamantes de detonación. Sin embargo, a pesar de una serie de trabajos experimentales exitosos a principios de la década de 1960, la investigación adicional prácticamente se suspendió, ya que la investigación y la producción de diamantes sintetizados catalíticamente se desarrollaron intensamente en ese momento y la introducción de nuevos métodos para la síntesis de UDD se encontró con un obstáculo de una industria no preparada. En 1982, la síntesis de nanodiamantes se lanzó a la vez en varios centros científicos de la URSS, sin embargo, las capacidades de producción superaron significativamente la demanda de nanodiamantes. En 1993 se suspendieron varias producciones y hasta 2003 no se reanudaron. Hasta la fecha, las instalaciones de producción de DND se han conservado en San Petersburgo, Snezhinsk, Bielorrusia y Ucrania. Recientemente, investigadores de todo el mundo han comenzado a mostrar interés en DND.
DND se obtiene por transformaciones químicas en el frente de onda de detonación durante la explosión de explosivos potentes (una mezcla de TNT y RDX). Los gases formados durante la detonación de una serie de explosivos contienen una cantidad significativa de carbono libre, a partir del cual, en condiciones de alta temperatura y presión alcanzadas durante la explosión, se forma la fase de diamante del carbono. El nanodiamante es la forma termodinámica de carbono más estable. Hasta la fecha, no existe una teoría unificada de formación de DND.De acuerdo con las ideas sobre la termodinámica de la formación de DND, el aspecto principal que asegura la posibilidad de formación de diamantes en el proceso de descomposición adiabática de carbono explosivo con un balance de oxígeno negativo es el hecho que el carbono libre se condensa en la fase de diamante o líquida. La expansión adiabática de los productos de detonación sigue a la detonación. Al mismo tiempo, las condiciones de estabilidad del diamante no se mantienen por mucho tiempo. Si la densidad de los productos de detonación es cercana a la densidad inicial del explosivo, entonces las condiciones de estabilidad del diamante se reemplazan por las condiciones de estabilidad del grafito. Durante la expansión adiabática, la presión de los productos de detonación cae más rápido que la temperatura; por lo tanto, el estado termodinámico del componente de carbono se encuentra en la región de estabilidad del grafito a alta temperatura, lo que contribuye a la transición de fase del diamante al grafito. Pero a cierta temperatura, la tasa de grafitización disminuye y, por lo tanto, en estas (últimas) etapas de la expansión de los productos de detonación, la cantidad de carbono transferido de la fase de diamante a la fase de grafito se vuelve insignificante: esta es la "congelación" de grafitización y la conservación de la fase de diamante. Por lo tanto, la transición diamante-grafito se produce cuando se supera la temperatura de congelación de grafitización. Si T>>Tzam, entonces todo el diamante tiene tiempo para convertirse en grafito y no se detecta UDD en los productos de detonación enfriados. Por lo tanto, la temperatura es crítica y en este proceso está determinada en gran medida por la configuración de la carga (conductividad térmica del medio). Las condiciones óptimas para la formación de un UDD en una onda de detonación y su conservación son una presión relativamente alta a una temperatura baja de los productos de detonación, correspondiente al punto de Chapman-Jouguet. Así, existen 3 etapas en la síntesis por detonación de nanodiamantes:
1. La formación de carbono libre como resultado de la transformación por detonación de un explosivo.
2. Expansión rápida de los productos de detonación y enfriamiento de las partículas de diamante por debajo de la temperatura de grafitización.
3. Transferencia intensiva de calor y masa entre los productos de detonación y el entorno que rodea la carga.
Desde finales de la década de 1990, el ND se ha utilizado como componente de adsorbentes lubricantes, composiciones para pulir y como aditivo para electrolíticos y otros baños de precipitación. Hasta el momento, muchas aplicaciones potenciales de este nanomaterial, incluidos los campos biomédicos y los compuestos estructurales, siguen sin explotarse.
La síntesis por detonación de diamantes es un método relativamente económico y lento para la producción de diamantes artificiales. Sin embargo, entre la familia de los diamantes artificiales, los nanodiamantes de detonación ocupan actualmente la posición menos ventajosa. Esto se debe a muchos factores: la tecnología de limpieza de diamantes de síntesis de detonación que requiere mucha mano de obra, provocada tanto por un bajo porcentaje de carbono de diamante en los productos de detonación como por la contaminación adicional de la cámara de detonación; un alto grado de su polidispersidad como consecuencia de la espontaneidad del proceso de detonación. Pero el principal, aparentemente, un obstáculo para el uso generalizado de DND es la no reproducibilidad del producto resultante en lotes, expresado en diferentes tamaños, diferente composición elemental y funcional; la falta de un estándar único de parámetros entre diferentes fabricantes y, como resultado, una definición precisa de nanodiamante de síntesis de detonación. Por lo tanto, cualquier trabajo de investigación, modificación y búsqueda de nuevas áreas de aplicación de DND son relevantes, ya que abren caminos para el uso de este producto. Esto explica el creciente interés de los investigadores de todo el mundo en la década de 2000 en los nanodiamantes en general y en los nanodiamantes de detonación en particular, como los más accesibles de toda la familia de diamantes.
En la actualidad, el término “nanodiamante” se aplica, en términos generales, a varios objetos: cristales de nanodiamantes que se encuentran en meteoritos, granos cristalinos de películas de diamantes policristalinos y, finalmente, polvos y suspensiones de nanodiamantes obtenidos por síntesis por detonación.
El UDD puede obtenerse con las propiedades deseadas y usarse con éxito como adsorbentes, catalizadores y fármacos.
Científicos del Centro de Investigación. Ames en la NASA cree que el telescopio espacial infrarrojo Spitzer podrá detectar diamantes en el espacio. Utilizando modelos informáticos, los investigadores pudieron desarrollar una estrategia para detectar diamantes de aproximadamente un nanómetro de largo. Los astrónomos esperan que estas diminutas partículas ayuden a aprender mucho sobre cómo evolucionaron en el espacio las moléculas ricas en carbono, los principales componentes de la vida en la Tierra. Véase también el art. La suposición de la posible existencia de partículas de diamante en el medio interestelar fue expresada por primera vez en 1985 por VV Sobolev (Instituto de Minería, Dnepropetrovsk) en la III Conferencia de toda la Unión sobre Detonación (Tallin). La versión completa del informe se publicó en 1987 en la revista "Physics of Combustion and Explosion" (No. 1), en 1993 en la revista "Geochemistry" (No. 9). El artículo consideró un posible escenario para la formación de diamantes a partir de carbono atómico. Durante la formación de los planetas SS en la nube protoplanetaria de polvo y gas, también se encontraron partículas de diamante como "material de construcción", cuyo tamaño variaba desde varias unidades hasta decenas de nanómetros. Los nanodiamantes dispersos en la corteza terrestre eran sustratos ideales para el crecimiento de monocristales (diamantes de depósitos primarios). Se hizo una suposición sobre las fuentes más probables de nanodiamantes reliquia "suspendidos".
Según la Universidad de California, Los Ángeles, los nanodiamantes se pueden usar en odontología para proteger los conductos radiculares desinfectados después de la extracción del nervio y la pulpa, lo que aumenta significativamente las posibilidades de una recuperación completa. También se observa que la combinación de nanodiamantes con gutapercha puede potenciar las propiedades protectoras de esta última.