Прорыв в геохимии совершили российские учёные. Они разработали и опробовали способ получения наноалмазов, который открывает принципиально новые возможности для медицины, электроники и других видов промышленности. По словам исследователей, такие искусственные алмазы, созданные в лаборатории, будут применяться в квантовой физике, микроэлектронике, медицинской диагностике, биологии и материаловедении, например, при производстве наконечников для свёрл. В электронике с их помощью планируют создавать устройства, по сравнению с которыми нынешние смартфоны покажутся гигантами.
Что такое наноалмазы?
Наноалмазы, или алмазные наночастицы, представляют собой алмазы размером менее 100 нанометров. Они могут образовываться в результате взрывов или метеоритных ударов. Теперь выяснилось, что есть третий способ, самый эффективный. Из-за недорогого крупномасштабного синтеза и высокой биосовместимости наноалмазы широко исследуются как потенциальный материал в биологических и электронных приложениях и квантовой инженерии.
Первооткрывателями стали учёные из лаборатории геохимии углерода имени Э.М. Галимова Института геохимии и аналитической химии (ГЕОХИ) РАН и они уже запатентовали свою разработку.
По своему химическому составу и строению наноалмаз – тот же самый алмаз, только очень маленькие. Нанометр – это одна миллиардная часть метра. Теперь вы можете представить частичку размером всего 4-6 нм – примерно такой диаметр наноалмазов.
Гипотезу о том, что самое твёрдое вещество может образовываться не только в глубине земли, но и на поверхности, десятки лет назад высказал глава одноимённого института академик Эрик Галимов. За многие годы работы ему вместе со своей командой удалось подтвердить её экспериментально. В институте аналитической химии создана лабораторная установка, которая воспроизводит эти природные процессы. Дело происходит так: на жидкость с графитовой крошкой, которая течёт с огромной скоростью, воздействуют давлением в десятки тысяч атмосфер. Установка промышленного синтеза, с помощью которой учёные создают зародыши алмаза в пузырьках пара, относительно проста в использовании и не требует сложного оборудования. Насосом запускается поток углеродсодержащей жидкости, которая проходит через специальное сопло. На финальной стадии возникает кавитация, — образование пузырьков и схлопывание их, углерод преобразуется в алмазы столь малых размеров, что их едва удаётся рассмотреть даже при помощи специального оборудования. В этих пузырьках и «рождаются» наноалмазы.
Сейчас оборудование применяют только в научных целях. Чтобы выйти на промышленные масштабы, нужно усовершенствовать ключевые узлы аппарата.
Академик Эрик Галимов (слева) с президентом России Владимиром Путиным (справа)
Пузырьковый метод позволяет получать зародыши алмаза нанометрового размера, технология сократит энергетические и материальные затраты на получение материала и существенно уменьшит экологические риски при синтезе продукта.
«Было очень много, вообще говоря, затрачено усилий на то, чтобы доказать, что это алмазы, а не что-нибудь. Ведь это абсолютно новый был процесс, можно было и не верить, что таким образом вообще можно получить алмазы. Вот здесь алмазики. Они в микроскопе и в разных, так сказать, дифракционных картинах. То есть мы убедились, что это действительно алмазы».
По словам научного сотрудника лаборатории геохимии углерода им. Э.М. Галимова Никиты Душенко, таким способом можно получать и наноалмазы с полупроводниковыми свойствами, что важно для микроэлектроники, и светящиеся наноалмазы для медицины.
Сейчас используют два промышленных метода синтеза алмазов: взрывной и осаждения из газовой фазы. В результате получаются макроматериалы — алмазные пленки или алмазная шихта. Пузырьковым методом можно получить раздельные частички алмаза.
«К уникальным достоинствам предложенного способа и установки можно отнести возможность использования как чистых углеводородных жидкостей, содержащих атомы только углерода и водорода, так и растворимых в воде соединений, содержащих дополнительные или «внешние» атомы кислорода, азота, кремния, бора и другие. Это позволяет синтезировать ультрадисперсные алмазы с добавленными «внешними» атомами — донорами (или акцепторами), необходимыми для формирования полупроводниковых свойств. Такая возможность открывает новое направление в развитии современной микроэлектроники. Люминесценция, возникающая при добавлении в структуру ультрадисперсных алмазов «внешних» атомов, позволяет рассматривать их как инновационное средство медицинской диагностики на клеточном уровне», — сказал научный сотрудник лаборатории геохимии углерода имени Э.М. Галимова Никита Душенко.
Такие наноалмазы смогут проникать в ткани и органы, они не токсичны и не имеют острых углов.
К примеру, наноалмазы могут применяться даже в медицине: их высокая стабильность в растворе может обеспечить длительную циркуляцию лекарства в кровотоке и успешное выведение из организма.
Возможности применения наноалмазов в медицине и биологии очень широки. Так, адсорбирующие свойства этого материала могут быть использованы для выделения нужных и важных белков из сложных смесей. В перспективе технология может удешевить и ускорить производство гормонов, ферментов, иммуноглобулинов.
Егор Петров
