Материал: Нанотехнологии для всех (Рыбалкина), 2005, c.444

ГЛАВА 3. Нанохимия и наноматериалы

рода в кристаллической решетке алмаза связан с четырьмя дру гими атомами прочными ковалентными связями C C, алмаз обладает феноменальной прочностью. Он способен выдержи вать давление порядка 1050 ГПа и температуру свыше 1800°С.

Во вторых, этот драгоценный кристалл состоит из атомов углерода – довольно распространенного на Земле элемента, входящего также в состав нефти, природного газа, древесины, угля, графита и пр. На нашей планете имеется около 6•1018 тонн углерода, что в миллион раз превышает массу всех постро ек и продукции за всю историю человеческой цивилизации.

Благодаря своим замечательным характеристикам природ ный алмаз мог бы найти широкое применение в промышлен ности, медицине и т.д., если бы не его чрезвычайная редкость и дороговизна. Оригинальные бриллиантовые украшения из са мых больших природных алмазов не превышают нескольких сантиметров и стоят сотни тысяч долларов. Однако повсемест ная распространенность углерода не могла не навести ученых на мысль о разработке методов получения искусственных алма зов из дешевых углеродсодержащих соединений.

В итоге, такие методы были изобретены, и сегодня искус ственный алмаз является превосходным материалом во многих областях промышленности: электронной, металлообрабатываю щей, авиакосмической, автомобильной, судостроительной и т.д.

С развитием нанотехнологий возрос интерес к получению ал мазных частиц нанометрового размера и возникла идея сущест вования алмазоидов – мельчайших кирпичиков, из которых состоит кристалл макроскопического ал маза, полностью повторяющих его тетраэдрическую структуру. Такие элементарные кирпичики

молекулы получили название: адамантана (C10H16), диаман*

тана (C14H20) и триамантана (C18H24).

Между собой атомы углерода связаны ковалентной связью, а свободные связи поверхностных атомов “заняты” атомами водорода.

Долгое время эти соединения считались гипотетическими молекулами, так как их нельзя было ни выделить из окружаю

НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ

щей среды, ни получить методами термохимического синтеза. Но в 1957 они были обнаружены в природе – алмазоиды уда лось выделить из... сырой нефти.

Алмазоиды могут иметь разную пространственную структу ру, но всем им присущи те же базовые характеристики, как у природного алмаза: модуль Юнга>1050 ГПа, температура плав ления выше 1800°С, плотность 3500 кг/м3. Поэтому любой объ ект, изготовленный из алмазоидов, будет иметь жесткость го раздо больше, чем аналогичный из стали, более высокую тем пературу плавления, и будет гораздо легче аналогов из других материалов.

Алмазоид представляет собой углеводород, в котором атомы углерода образуют тетраэдральную пространственную решетку, точно такую же, как и в алмазе.

Перспективы применения алмазоида

ки имеют широкие перспективы применения в различных уст ройствах электроники, MEMS и NEMS устройствах11, полевых транзисторах, электронно лучевых устройствах и оптических компьютерах.

Одним из основных современных применений наноалмазов является полировка электронных и оптических материалов для электроники, радиотехники, оптики, медицины, машинострое ния, ювелирной промышленности. Составы на основе наноалма зов позволяют получить совершенную зеркальную поверхность твердых тел любой геометрической формы, не имеющую дефек тов и дислокаций, с высотой шероховатости рельефа 2 8 нм.

11. MEMS или NEMS аббревиатура от Micro (Nano) Electric Mechanical System. Подробному описанию этих устройств посвящена отдельная глава данной книги.

164

ГЛАВА 3. Нанохимия и наноматериалы

Применение наноалмазов существенно улучшает качество микроабразивных и полировальных составов, смазочных ма сел, абразивных инструментов12, полимерных композитов, ре зин и каучуков, систем магнитной записи.

Введение наноалмазов в полимеры, резины и пластмассы увеличивает их прочность и износостойкость. “Алмазные“ шинные резины, устойчивые к проколам и перепадам темпера тур, уже сегодня прекрасно работают и в условиях Крайнего Се вера, и в жарких пустынях.

Наноалмазы применяются в смазках, маслах и охлаждаю щих жидкостях. Использование наноалмазов в маслах увеличи вает ресурс работы моторов и трансмиссий.

Алмазоид является первым претендентом в списке матери алов, из которых в перспективе могут быть изготовлены меди цинские наноинструменты и нанороботы. Поскольку их дея тельность будет производиться, в основном, внутри тела, необ ходимо, чтобы их поверхность была полностью биосовместима с тканями и клетками организма.

Известно, что обычный алмаз отличается высокой био совместимостью по сравнению с другими веществами. Кли нические испытания сравнительно грубой алмазной поверх ности протезов и имплантантов показали, что она химически инертна, нетоксична для клеток, воспринимается лейкоцита ми как “своя” и не вызывает воспалительных или патогенных процессов.

Ученые только что научились получать алмазные нанопок рытия, поэтому невозможно точно предсказать реакцию на них клеток организма, но известно, что мелко измельченные угле родные частицы хорошо усваиваются телом: древесный уголь и копоть (сферические частицы диаметром 10 20 нм) использо вались для татуировки с древнейших времен. В настоящий мо мент активно ведутся исследования на биосовместимость алма зоидных наночастиц, но до сих пор ни о каких вредных воздей ствиях на организм заявлено не было.

Вероятно, благодаря своим уникальным характеристи кам, алмазоид станет универсальным и дешевым материалом XXI века.

12 Абразивные инструменты инструменты высокой твердости для механической обработки металлов

НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ

Получение наноалмазов

На сегодня существует несколько способов получения ал мазных наночастиц. Среди них наиболее распространены сле дующие:

·получение из природных алмазов физическими методами;

·синтез при сверхвысоких давлениях и температурах;

·электронно и ионно лучевые методы, использующие облучение углеродсодержащего материала пучками электронов

иионами аргона.

·химическое осаждение углеродосодержащего пара при высоких температурах и давлениях.

На следующем рисунке изображены стадии зарождения и роста наночастиц алмаза из газовой фазы при 1000°С.

Рис 88. а) 0 мин, б) 15 мин, в) 30 мин, г) 60 мин после начала наращивания затравочных кристаллов алмаза, помещенных на медную подложку

Еще наноалмазы получают детонационным синтезом, ведь при взрыве образуется достаточно высокая температура и дав ление для формирования наноалмазов. Однкао взрывчатка сто ит дорого. В то же время, по международным обязательствам, наша страна должна уничтожить более миллиона тонн своих боеприпасов, что обоходится в 1500 долларов на тонну. Акаде мик В.М.Лоборев предложил использовать боеприпасы для производства наноалмазов, но до практики дело, как это водит ся, не дошло. В результате имеем отсутствие боеприпасов, на ноалмазов и денег.

Для получения сложных алмазоидных наноструктур перс пективна идея автоматизированного механосинтеза,, который станет возможным с появлением точных наноманипуляторов.

Сегодня химикам удается получать сложные молекулярные комплексы, смешивая в пробирках различные вещества при не обходимых условиях и в нужной концентрации. Так почему просто не собирать наноструктуры из атомов механическим пу тем под контролем компьютера и человека? Если удается до биться необходимых результатов с помощью пробирок, то не лучше ли наноманипуляторы справятся с таким заданием?

166

ГЛАВА 3. Нанохимия и наноматериалы

Идея молекулярного механосинтеза чрезвычайно проста и напоминает роботизированную фабрику, например, по сборке автомобилей: наноманипулятор берет атом и присоединяет его к поверхности собираемого объекта. Такая система кажется до вольно простой и эффективной, и более подробно будет рас смотрена в главе “Инструменты нанотехнологии”

Итак, повторим еще раз!

Атомы образуют химические связи, чтобы приобрести устойчивую электронную конфигурацию, т.е. полностью за полнить свою внешнюю электронную оболочку. Тип связи вли яет на свойства вещества, включая реакционную способность..

Выделяют несколько типов химической связи:

Ионная связь обусловлена электрическим притяжением между противоположно заряженными ионами. Типичный представитель поваренная соль (NaCl).

Ковалентную связь образуют атомы с общей парой электронов. Типичный представитель – алмаз.

Металлическая связь связывает ионы металлов, “плава ющие” в облаке нелокализованных электронов, что объясняет высокую гибкость и прочность металлов.

Силы Ван*дер*Ваальса это все виды слабого межмоле кулярного взаимодействия, кроме водородной связи.

Водородная связь обусловлена притяжением между ато мом водорода и другими электроотрицательными атомами. Она может быть как межмолекулярной (вода, лед), так и внут римолекулярной (в молекуле ДНК).

Количество атомов в частице сильно влияет на ее свойства

Нанохимия изучает свойства и способы получения на ночастиц. Одна из главных задач нанохимии установление связи между размером и реакционной способностью.частицы.

Выделяют две группы методов получения наночастиц:

Диспергационные (измельчение);

Конденсационные (восстановление из ионов и атомов).

Наночастицы (кроме “магических”) так и норовят срас тись. Чтобы этому помешать в систему вводят стабилизатор.

Наночастицы могут обладать уникальными свойствами. Наночастицы серебра убивают большинство известных ви

русов и микробов. Фильстры для очистки воды и воздуха на ос