Наноалмазы

Наноалмазы (ультрадисперсные, или кластерные алмазы) образуются при детонации взрывчатых ве­ществ с отрицательным кислородным балансом (ин­дивидуальных или смесевых, обычно смеси тротила и гексогена, взятых в оптимальном соотношении). Синтез осуществляется при давлении от 16 до 23 ГПа и температуре свыше 3000К, т.е. в условиях термоди­намической стабильности алмаза. Такие условия при распространении детонационной взрывной волны со­храняются лишь в течение -0,3 мкс, и за это время успевают образоваться кристаллы алмаза с довольно узким распределением частиц по размерам. Однако, если не происходит быстрого охлаждения продуктов синтеза, то возможна графитизация образовавшихся алмазных частиц. Поэтому при взрывном синтезе продукты детонации интенсивно охлаждают­ся газообразными (СО2, N2, Аг), жидкими (вода) или твердыми (лед) хладагентами. При этом в наиболее удачных синтезах лишь от 6 до 8% углерода из состава исходных взрывчатых веществ переходит в конденси­рованные продукты детонации (так называемую ал­мазную шихту), которые могут содержать 60 – 70% ал­мазной фазы наряду с не алмазным углеродом и при­месями металлов. Поэтому весьма важной является стадия выделения, или стадия очистки алмаза с наночастицами.

Образцы детонационного алмаза с наночастицами представляют собой серый порошок с разной интенсивностью окра­ски и обязательно содержат, кроме алмаза, не алмазный углерод.

В случае мокрого синтеза, т.е. при охлаждении продуктов детонации парами воды, форма приближается к сферической, тогда как при сухом синтезе получаются близкие к идеальным по структуре ограненные нанокристаллы алмаза.

Просвечивающая электронная микроскопия, рентгеноструктурные и спектроскопи­ческие исследования позволили надежно идентифи­цировать кристаллическую решетку алмаза. В настоя­щее время наиболее признана следующая модель пер­вичного кластера наноалмаза.

В центре частицы имеется ядро, атомы углерода (в состоянии sр3-гибридизации) которого находятся в узлах кристаллической решетки алмаза. Межплоско­стные расстояния в алмазном ядре 1у= 2,06 А.

На периферии микроблоков алмазно­го углерода обнаруживается разупорядочение структуры, т.е. алмазное ядро ок­ружает деформированная углеродная оболочка. Согласно [14], толщина деформированной углеродной оболочки невелика (1 – 4 углеродных слоя) и зави­сит от скорости охлаждения продуктов детонации, определяемой природой сре­ды конденсации. Эти условия определяют также электронную структу­ру, химический состав оболочки и, пре­жде всего, соотношение в ней атомов углерода в состояниях sp3- и sp2-гиб­ридизации. В углеродной оболочке обнаружены пере­ходные структуры углерода с фрагментами деформированной алмазной структуры, луковичного углерода, графита, аморфного углерода и др.

Оборванные связи атомов углерода на поверхности такой частицы либо локализуются различными атома­ми или группами, либо замыкаются друг на друга, т.е. происходит реконструкция поверхности. Следовательно, каждая наночастица алмаза имеет функциональный покров, который определяет ее хи­мическое состояние. Такую частицу следует рассмат­ривать как сверхмолекулу.

На поверхности ультрадисперсного алмаза, выделенного из ал­мазной шихты, обнаруживаются различные функцио­нальные группы. Это углеводородные группы – метиленовые, метальные, кислородсодержа­щие – гидроксильные, карбонильные и альдегидные, карбоксильные, эфирные и ангидридные, серо- и азотсодержащие группы – сульфогруппы, нитрогруппы, аминные, амидные и многие другие.

По разме­ру кристаллитов и доле поверхностных атомов углеро­да в общем содержании атомов углерода в алмазной частице ультрадисперсные алмазы представляют собой коллоидное состояние алмазного вещества, промежуточное между молекулярными структурами и кристаллами. Именно поэтому химия ультрадисперсных алмазов определяется как свойст­вами самого алмазного вещества, так и свойствами его функционального покрова.

Функциональные группы на поверхности ультрадисперсного ал­маза, также как и на поверхности других твердых тел, можно окислить, восстановить, разрушить при нагре­вании, обменять целиком или их отдельные фрагмен­ты на другие, удалить вместе с атомами углерода (на­рушив при этом поверхностную структуру и соотно­шение атомов углерода в состояниях sp3- и sp2-гибридизации). Методом химической сборки можно при­вить к ним различные органические или неорганиче­ские молекулы.

Рубрика: Материалы | Добавить комментарий