Наноалмазы образуются непосредственно из газа и не требуют поверхности для роста.
Открытие имеет многообещающее применение в технологии и промышленности, например, для покрытия пластиков ультратонким алмазным порошком и изготовления гибкой электроники, имплантатов, устройств для доставки лекарств и других продуктов, в которых используются преимущества исключительных свойств алмаза.
Их исследование опубликовано сегодня в научном журнале Nature Communications. Полученные результаты основаны на традициях исследования алмазов в Case Western Reserve.
Помимо приложений, это открытие может дать некоторое представление о нашей Вселенной: объяснение того, как могут образовываться наноалмазы, наблюдаемые в космосе и обнаруженные в метеоритах.
«Это несложный процесс: пары этанола при комнатной температуре и давлении превращаются в алмаз», — сказал Мохан Шанкаран, доцент кафедры химической инженерии в Case Western Reserve и руководитель проекта. "Мы пропускаем газ через плазму, добавляем водород и из него получаются алмазные наночастицы. Мы можем собрать это вместе и изготовить практически в любой лаборатории."
В процессе изготовления этих маленьких «вечных камней» пластик не плавится, поэтому он хорошо подходит для некоторых высокотехнологичных приложений. Алмаз, известный своей твердостью, имеет превосходные оптические свойства, самую высокую скорость звука и теплопроводность среди всех материалов.
В отличие от другой формы углерода, графита, алмаз является полупроводником, похожим на кремний, который является доминирующим материалом в электронной промышленности, и арсенид галлия, который используется в лазерах и других оптических устройствах.
Хотя процесс прост, но поиск нужных концентраций и потоков — то, что исследователи называют «сладким пятном» — потребовал времени.
В число других участвовавших исследователей входили постдокторант Аджай Кумар, аспирант Пин Энн Лин и студент бакалавриата Альберт Сюэ из Case Western Reserve; и профессор физики Йок Кхин Яп и аспирант Бойи Хао из Мичиганского технического университета.
Шанкаран и Джон Ангус, заслуженный профессор химической инженерии, около восьми лет назад придумали идею выращивания наноалмазов без нагрева и давления. Исследования Ангуса в 1960-х и 1970-х годах привели его и других к разработке способа выращивания алмазных пленок при низком давлении и высокой температуре, процесса, известного как химическое осаждение из паровой фазы, которое сейчас используется для нанесения покрытий на компьютерные диски и бритвенные лезвия.
Между тем, Шанкаран специализируется на создании наночастиц из прохладной микроплазмы.
Обычно требуется высокое давление и высокие температуры для преобразования графита в алмаз или комбинация газообразного водорода и нагретой подложки для выращивания алмаза, а не графита.
«Но в наномасштабе поверхностная энергия делает алмаз более стабильным, чем графит», — пояснил Шанкаран. «Мы думали, что если бы мы могли зародить углеродные кластеры в газовой фазе размером менее 5 нанометров, они были бы алмазами, а не графитом даже при нормальном давлении и температуре."
После нескольких взлетов и падений с усилиями процесс сошелся, когда Кумар присоединился к лаборатории Шанкарана.
Инженеры производили алмазы так же, как углеродную сажу.
Сначала они создают плазму, которая представляет собой состояние вещества, похожее на газ, но часть становится заряженной или ионизированной. Искра — это пример плазмы, но она горячая и неконтролируемая.
Чтобы достичь более прохладных и безопасных температур, они ионизировали газ аргон, когда его откачивали из трубки диаметром с волос, создавая микроплазму. Они прокачивали этанол — источник углерода — через микроплазму, где, подобно сжиганию топлива, углерод отделяется от других молекул газа и дает частицы размером от 2 до 3 нанометров, достаточно маленькие, чтобы они превращались в алмаз.
Менее чем за микросекунду они добавляют водород.
Элемент удаляет углерод, который не превратился в алмаз, одновременно стабилизируя поверхность алмазных частиц.
Образовавшийся алмаз — это не большие идеальные кристаллы, которые используются для изготовления украшений, а порошок из алмазных частиц.
Шанкаран и Кумар в настоящее время постоянно производят высококачественные алмазы диаметром в среднем 2 нанометра.
По словам Кумара, исследователи потратили около года на тестирование, чтобы убедиться, что они производят алмазы и что этот процесс можно воспроизвести. Команда сама провела различные тесты и привезла в лабораторию Япа для анализа наночастиц с помощью рамановской спектроскопии.
В настоящее время наноалмазы производятся путем детонации взрывчатого вещества в корпусе реактора для обеспечения тепла и давления.
Затем алмазные частицы должны быть удалены и очищены от загрязняющих элементов, скопившихся вокруг них. Процесс быстрый и дешевый, но наноалмазы объединяются и имеют разный размер и чистоту.
Новое исследование предлагает многообещающие выводы.
Например, наноалмазы проходят испытания на способность переносить лекарства к опухолям. Поскольку алмаз не распознается иммунной системой как захватчик, он не вызывает сопротивления, что является основной причиной неудач химиотерапии.
Шанкаран сказал, что его наноалмазы могут предложить альтернативу алмазам, полученным методом детонации, потому что они чище и меньше.
В процессе группы производятся три вида алмазов: около половины имеют кубическую форму, такую же структуру, как и драгоценные алмазы, небольшой процент — форма, предположительно содержащая водород, внутри и около половины — лонсдейлит, гексагональная форма, встречающаяся в межзвездной пыли, но редко встречающаяся на Земля.
Недавняя статья в журнале Physical Review Letters предполагает, что при столкновении межзвездной пыли возникает такое высокое давление, что графитовый углерод превращается в лондсдейлитные наноалмазы.
Шанкаран и Кумар утверждают, что следует рассмотреть альтернативу, не требующую высокого давления, например их метод.
«Может быть, мы делаем алмаз так же, как алмаз иногда делают в космосе», — предположил Шанкаран. «Этанол и плазма существуют в космосе, и наши наноалмазы по размеру и структуре похожи на те, что находятся в космосе."
В настоящее время группа изучает, может ли она точно настроить процесс, чтобы контролировать, какая форма алмаза сделана, анализирует структуры и определяет, имеет ли каждый из них разные свойства.
Лонсдейлит, например, тверже кубического алмаза.
Исследователи создали своего рода аэрозольную краску из наноалмазов. «Мы можем сделать это за один этап, распыляя наноалмазы, поскольку они производятся из плазмы и очищаются водородом, чтобы покрыть поверхность», — сказал Кумар.
И они работают над расширением процесса для промышленного использования.
"Смогут ли они увеличить? "Это всегда дерьмо", — сказал Ангус. "Но я думаю, что это можно сделать, причем по очень высокой цене и дешево.
В конечном счете, это может занять несколько лет, но нет теоретических причин, по которым это невозможно."
По словам Шанкарана, если процесс масштабирования будет таким же простым и дешевым, как лабораторный процесс, промышленность найдет множество применений для этого продукта.