Nanodiamond , ultrahieno timantti - hiili nanorakenne . Siinä on timanttityyppinen kidehila : tasomaksiaalinen kuutiosyngonian luokka , kaksi kasvokeskeistä Bravais- hilaa , jotka on siirretty suhteessa toisiinsa 1/4 päädiagonaalista. Yhden nanokiteen tyypillinen koko on 1÷10 nanometriä . Nanotimantteja tai ultrahienoja timantteja voidaan pitää erityisenä nanohiilimateriaalina, joka on osa nanohiiliklusterien perhettä fullereenien , nanoputkien , nanografiitin, hiilen "sipulimuotoisen" kanssa .. Timanttihiukkasilla on erilaisia fysikaalisia ja kemiallisia ominaisuuksia, jotka eroavat muista hiilen muodoista. Nanotimanttien ominaisuudet riippuvat olennaisesti valmistusmenetelmästä.
Timanttien nanohiukkasten saamiseksi on useita tapoja. Niistä seuraavat ovat yleisimpiä:
Neuvostoliitossa E. I. Zababakhinin ohjauksessa VNIITF:n tutkijat K. V. Volkov, V. V. Danilenko ja V. I. Elina syntetisoivat vuonna 1962 timantteja grafiitin ja noen iskupuristuksen avulla pallomaisissa ja lieriömäisissä säilytysampulleissa ja lisätäkseen timanttien63 saantoa . , käytettiin grafiitin ja jäähdytysnestemetallin seoksen puristamista. Vuonna 1962 Danilenko ehdotti ampullisynteesin korvaamista ampullittomalla synteesillä räjähdyksillä räjähdyskammiossa. Tässä tapauksessa grafiitti asetettiin suoraan TNT/RDX TG40 -lejeeringin lieriömäiseen panokseen, ja grafitisoitumisen estämiseksi ja tuloksena olevan timantin purkamisnopeuden vähentämiseksi panos ympäröitiin vesikuorella. Tämä lisäsi timanttien tuottoa jyrkästi. Heinäkuussa 1963 suoritettiin kontrollikoe panoksella ilman grafiittia, mikä vahvisti oletuksen timantin synteesistä räjähdystuotteiden hiilestä (PD). Hiilen vaihekaavion ja Jouguet-pisteen P,t-arvojen perusteella räjähteen räjähdyshajoamisen aikana osoitettiin, että vapaan hiilen pitäisi tiivistyä timantin muodossa. Tässä tapauksessa räjähteellä on oltava negatiivinen happitase. Räjähdystuotteiden atomihiilen kondensoitumisen tärkein etu verrattuna grafiitista synteesiin on, että tässä prosessissa ei tarvitse kuluttaa energiaa ja aikaa grafiitin alkuperäisen kidehilan tuhoamiseen tai uudelleenjärjestelyyn. Ongelmana tässä tapauksessa on ultrahienon timantin (UDD) säilyminen hapettumisen ja grafitoinnin seurauksena. Vuosina 1963-1965 osoitettiin FP-jäähdytyksen ratkaiseva merkitys johtuen FP-potentiaalienergian muuntamisesta varausta ympäröivän kuoren kineettiseksi energiaksi. Pitkänomaisen sylinterin muodossa muodostettu PG 40 -panos antoi UDD-saannon 8–12 % panoksen massasta, kun panoksen UDD-pitoisuus oli jopa 75 %. Yhdysvalloissa ensimmäinen raportti UDD:n synteesistä ilmestyi vasta vuonna 1988. Niiden pitoisuus noessa oli tekijöiden mukaan 25 %. Näin ollen Venäjällä on etusija räjähdysnanotimanttien synteesissä. Huolimatta lukuisista onnistuneista kokeellisista töistä 1960-luvun alussa, jatkotutkimus kuitenkin käytännössä keskeytettiin, koska katalyyttisesti syntetisoitujen timanttien tutkimusta ja tuotantoa kehitettiin tuolloin intensiivisesti ja uusia menetelmiä UDD:n synteesiin otettiin käyttöön. valmistautumattoman teollisuuden aiheuttaman esteen. Vuonna 1982 nanotimanttien synteesi käynnistettiin kerralla useissa Neuvostoliiton tiedekeskuksissa, mutta tuotantokapasiteetit ylittivät huomattavasti nanotimanttien kysynnän. Vuonna 1993 useita tuotantoja supistettiin, ja niitä ei jatkettu vuoteen 2003 asti. Tähän mennessä DND:n tuotantolaitokset ovat säilyneet Pietarissa, Snezhinskissä, Valko-Venäjällä ja Ukrainassa. Viime aikoina tutkijat ympäri maailmaa ovat alkaneet osoittaa kiinnostusta DND:tä kohtaan.
DND saadaan kemiallisilla muutoksilla räjähdysaaltorintamalla voimakkaiden räjähteiden (TNT:n ja RDX:n seos) räjähdyksen aikana. Useiden räjähteiden räjäytyksen aikana muodostuneet kaasut sisältävät huomattavan määrän vapaata hiiltä, josta muodostuu räjähdyksen aikana saavutetussa korkeassa lämpötilassa ja paineessa hiilen timanttifaasi. Nanotimantti on hiilen stabiilin termodynaaminen muoto. Toistaiseksi ei ole olemassa yhtenäistä teoriaa DND:n muodostumisesta.DND:n muodostumisen termodynamiikkaa koskevien käsitysten mukaan pääasiallinen näkökohta, joka varmistaa timanttien muodostumisen mahdollisuuden negatiivisen happitasapainon omaavan räjähtävän hiilen adiabaattisen hajoamisen prosessissa on että vapaa hiili tiivistyy timantti- tai nestefaasissa. Räjähdystuotteiden adiabaattinen laajeneminen seuraa räjähdystä. Samanaikaisesti timanttien vakauden olosuhteet eivät säily pitkään. Jos räjähdystuotteiden tiheys on lähellä räjähteen alkutiheyttä, timantin stabiilisuusehdot korvataan grafiitin stabiilisuuden ehdoilla. Adiabaattisen laajenemisen aikana räjähdystuotteiden paine laskee nopeammin kuin lämpötila, joten hiilikomponentin termodynaaminen tila on grafiitin stabiilisuuden alueella korkeassa lämpötilassa, mikä edistää timantin faasimuutosta grafiitiksi. Mutta tietyssä lämpötilassa grafitoitumisnopeus laskee, ja siksi räjähdystuotteiden laajenemisen näissä (viimeisissä) vaiheissa timanttifaasista grafiittifaasiin siirtyneen hiilen määrä muuttuu merkityksettömäksi - tämä on "jäätymistä" grafitointi ja timanttifaasin säilyttäminen. Siten timantti-grafiitti-siirtymä tapahtuu, kun grafitoinnin jäätymislämpötila ylittyy. Jos T>>Tzam, niin koko timantilla on aikaa muuttua grafiitiksi, eikä UDD:tä havaita jäähtyneissä räjähdystuotteissa. Siten lämpötila on kriittinen, ja tässä prosessissa sen määrää suurelta osin varauskonfiguraatio (väliaineen lämmönjohtavuus). Optimaaliset olosuhteet UDD:n muodostumiselle räjähdysaallossa ja sen säilymiselle ovat suhteellisen korkea paine räjähdystuotteiden alhaisessa lämpötilassa, joka vastaa Chapman-Jouguet'n pistettä. Siten nanotimanttien räjähdyssynteesissä on 3 vaihetta:
1. Vapaan hiilen muodostuminen räjähteen räjähdysmuutoksen seurauksena.
2. Räjähdystuotteiden nopea laajeneminen ja timanttihiukkasten jäähtyminen grafitointilämpötilan alapuolelle.
3. Intensiivinen lämmön ja massan siirto räjähdystuotteiden ja panosta ympäröivän ympäristön välillä.
1990-luvun lopulta lähtien ND:tä on käytetty voiteluaineiden sorbenttien, kiillotusainekoostumusten komponenttina sekä lisäaineena elektrolyyttisiin ja muihin saostuskylpyihin. Toistaiseksi monet tämän nanomateriaalin mahdolliset sovellukset, mukaan lukien biolääketieteen kentät ja rakennekomposiitit, ovat jääneet hyödyntämättä.
Timanttien räjähdyssynteesi on suhteellisen halpa ja aikaa vievä menetelmä keinotekoisten timanttien valmistukseen. Kuitenkin keinotekoisten timanttien joukossa räjähdysnanotimantit ovat tällä hetkellä kaikkein edullisimmalla asemalla. Tämä johtuu monista tekijöistä: työvoimavaltainen tekniikka räjähdyssynteesin timanttien puhdistamiseksi, joka johtuu sekä alhaisesta timanttihiilen prosenttiosuudesta räjähdystuotteissa että lisäsaasteesta räjähdyskammiosta; niiden polydispersiteetti on korkea räjähdysprosessin spontaanisuuden seurauksena. Mutta ilmeisesti suurin este DND:n laajalle leviämiselle on tuloksena olevan tuotteen toistamattomuus erissä, ilmaistuna eri kokoisina, erilaisina alkuaine- ja toiminnallisina koostumuksina; yhden ainoan parametristandardin puuttuminen eri valmistajilta ja sen seurauksena räjähdyssynteesin nanotimantin tarkka määritelmä. Siksi kaikki DND:n tutkimukseen, muokkaamiseen ja uusien sovellusalueiden löytämiseen liittyvät työt ovat merkityksellisiä, koska ne avaavat tapoja käyttää tätä tuotetta. Tämä selittää tutkijoiden lisääntyneen kiinnostuksen ympäri maailmaa 2000-luvulla nanotimantteja kohtaan yleensä ja erityisesti räjähdysnanotimantteihin, koska ne ovat koko timanttiperheen saavutettavimpia.
Tällä hetkellä termiä "nanotimantti" käytetään yleisesti ottaen useisiin esineisiin: meteoriiteista löytyviin nanotimanttikiteisiin, monikiteisten timanttikalvojen kiteisiin rakeisiin ja lopuksi räjähdyssynteesillä saatuihin nanotimanttijauheisiin ja -suspensioihin.
UDD voidaan saada halutuilla ominaisuuksilla ja käyttää menestyksekkäästi sorbentteina, katalyytteinä ja lääkkeinä.
Tutkimuskeskuksen tutkijat. NASA:n Ames uskoo, että Spitzer-infrapuna-avaruusteleskooppi pystyy havaitsemaan timantteja avaruudessa. Tietokonemalleja käyttämällä tutkijat pystyivät kehittämään strategian noin nanometrin pituisten timanttien havaitsemiseksi. Tähtitieteilijät toivovat, että nämä pienet hiukkaset auttavat oppimaan paljon siitä, kuinka hiilipitoiset molekyylit, maapallon elämän pääkomponentit, kehittyivät avaruudessa. Katso myös Art. Oletuksen timanttihiukkasten mahdollisesta olemassaolosta tähtienvälisessä väliaineessa ilmaisi ensimmäisen kerran VV Sobolev (kaivosinstituutti, Dnepropetrovsk) vuonna 1985 III koko unionin räjäytyskonferenssissa (Tallinna). Raportin täysi versio julkaistiin vuonna 1987 Physics of Combustion and Explosion -lehdessä (nro 1) ja vuonna 1993 lehdessä "Geochemistry" (nro 9). Artikkelissa tarkasteltiin mahdollista skenaariota timantin muodostumiselle atomihiilestä. SS-planeettojen muodostumisen aikana protoplanetaarisessa pöly- ja kaasupilvessä löydettiin "rakennusmateriaalina" myös timanttihiukkasia, joiden koko vaihteli useista yksiköistä kymmeniin nanometreihin. Maankuoreen hajallaan olevat nanotimantit olivat ihanteellisia substraatteja yksittäiskiteiden (primäärikerrostumien timanttien) kasvulle. Tehtiin oletus "koipallojen" jäännösnanotimanttien todennäköisimmistä lähteistä.
Kalifornian yliopiston Los Angelesin mukaan nanotimantteja voidaan käyttää hammaslääketieteessä desinfioitujen juurikanavien suojaamiseen hermon ja pulpan poiston jälkeen, mikä lisää merkittävästi täydellisen toipumisen mahdollisuuksia. On myös huomattava, että nanotimanttien yhdistelmä guttaperkan kanssa voi parantaa jälkimmäisen suojaavia ominaisuuksia.