http://rough-polished.com/ru/analytics/31816.html?print=Y

Владимир Тесленко, Rough&Polished

Перспективы наноалмазов

19.10.2009

В условиях слабого рынка ювелирных изделий с бриллиантами, избыточные силы разумно перенаправить на техническое применение алмазов. Специалисты, например из Якутнипроалмаза, способны быстро переориентироваться на нанотехнологии, которые щедро финансируются и в России, и за рубежом.

Первые наноалмазы были синтезированы в СССР. Способы синтеза были запатентованы более 10 (!) группами исследователей, в том числе в ВНИИТФ (Снежинск), Институт Гидродинамики СО АН (Новосибирск), НПО «Алтай» (Бийск), ВНИИЭФ (Саров), «Электроприбор» (Лесной), «Завод пластмасс» (Копейск). Опытно-промышленное производство наноалмазов появилось в конце 80-х годов. Исходным сырьем был избран углерод, входящий в состав взрывчатых веществ. Высокие давление и температура, необходимые для образования структуры алмаза из атомов углерода, достигались в процессе взрыва. Короткое время взрыва и скоростное охлаждение продуктов детонации определяло малый размер алмазных образований. Суть метода - детонационное разложение мощных смесевых взрывчатых веществ с отрицательным кислородным балансом с образованием твердых продуктов детонации, среди которых помимо сажи и нанографита образовывалось порядка 5% наноалмазов (другие названия «ультрадисперсные алмазы», УДА). Например, использовали сплавы тротила с гексогеном с добавками и проводили взрыв разной мощности (от 10 до 400 кг ВВ) в разных камерах и в разных средах (в сжатом инертном газе, в воде, во льде). Обогащение наноалмазов из сырья (детонационной шихты) происходит методами растворения неалмазных форм углерода. Наиболее рациональная технология химической очистки наноалмазов осуществляется азотной кислотой при высокой температуре и давлении; доочистка - озоном. В настоящее время главным производителем чистовых наноалмазов является ФГУП СКТБ «Технолог» (Санкт-Петербург). Типичные наноалмазы имеют округлую форму с диаметром от 3 до 6 нм; их сухой порошок характеризуется экспериментальной удельной поверхностью порядка 300 м2 на грамм.

Оказалось, что детонационные наноалмазы обладают рядом необычных свойств. Исследования последних лет показали, что наноалмазы могут быть использованы для создания нано композиционных материалов, элементов наноэлектроники, селективных адсорбентов и катализаторов, объектов медико-биологического использования. Применение наноалмазов улучшает качество микроабразивных и полировальных составов, смазочных масел, абразивных инструментов, полимерных композиций, резин и каучуков, систем магнитной записи, позволяет выращивать алмазные пленки на различных подложках.

1. Полировальные композиции

Современная лазерная техника, оптика и твёрдотельная электроника, включая микро, опто-, акусто-, магнито-, СВЧ-, криоэлектронику и др. разделы, базируются на большом разнообразии материалов. Здесь требуется получение высокосовершенной по геометрическим, структурным и химическим свойствам поверхности кристаллов посредством технологии финишного химико-механического полирования (ХМП).

В Институте общей физики им. А.М. Прохорова РАН разработан ряд (устойчивых более года) химически активных полировальных композиций на основе наноалмазов. Композиции прошли апробацию в технологии обработки металлов, полупроводников и диэлектриков. Некоторые из них способны эффективно полировать несколько (от 3 до 15) кристаллов, имеющих различный состав, кристаллографическую ориентацию, электропроводность, способ получения и назначение. Шероховатость рельефа большинства кристаллов составляет доли и единицы нанометров. На поверхности отсутствуют сколы, трещины, микроцарапины, участки травления и др. макродефекты, поверхностный слой не содержит дислокаций обработки и упругих напряжений.

Физическим Институтом им. П. Н. Лебедева РАН, Московским государственным институтом стали и сплавов и научно-производственным объединением “Детонационные Наноалмазы” создан научно-учебный и производственный центр “Наноповерхность”. В настоящее время белорусская фирма “Синта” разрабатывает проект по производству наноалмазов глубокой очистки в объеме около 1000 кг в год, на базе которых возможно изготовление различных полировальных композиций.

В НПО «Алтай» (Бийск) разработаны Технические условия "Составы полирующие на основе детонационных наноалмазов "БИКА" (ТУ 07508902-204-2008).

2. Гальванические покрытия

Наноалмазы опробованы как добавка в металлические гальванические покрытия. Наиболее продвинутая область это хром-алмазные износостойкие покрытия для нефтедобычи. Получение композиционных покрытий основано на способности наноалмазов размерами 4-6 нм соосаждаться с металлами при их электрохимическом и химическом восстановлении из растворов их солей. Это приводит к образованию двухфазного композиционного электрохимического покрытия, состоящего из металлической матрицы и внедренных в нее дисперсных частиц наноалмазов. Суть в том, что при сравнительно небольшой добавке (1% наноалмазов по массе в покрытии) наночастицы вызывают большое число центров кристаллизации. В результате получается нанокристаллическая структура хрома с размером кристаллитов порядка 10 нм. Кроме того, множество граничных слоев металл-алмаз имеет следствием высокую износостойкость и повышенную микротвёрдость. Нанокристаллиты хрома обеспечивают полное копирование рельефа поверхности детали, что существенно увеличивает предельные напряжения сдвигового и нормального отрыва покрытия от основы. В настоящее время освоено получение покрытий толщиной 1—500 мкм и площадью 500х600х1300 мм.

Специалисты ЗАО «ЭКА» совместно с ООО «РАМ» разработали передовую технологию нанесения металл-алмазных покрытий с нанокристаллической структурой на технику, работающую в экстремальных условиях, в частности, в агрессивных средах. Исследования проводились в соответствии с «Федеральной программой развития наноиндустрии в Российской Федерации до 2015 г.». На основе данной технологии компанией внедрены инновационные, принципиально новые золотниковые клапаны модели «Норма» для установок электроцентробежных (УЭЦН) и штанговых глубинных (ШГН) нефтяных насосов.

3. Присадки к автомобильным маслам.

Принципиально новый вид добавки в смазочные материалы на основе ультрадисперсных алмазов предназначен для значительного улучшения защитных свойств смазочных материалов, увеличения их эффективного срока службы, восстановления и защиты от износа узлов трения различных машин и механизмов. При этом обеспечивается: а) увеличение межремонтного ресурса различных машин и механизмов более чем в 2 раза (отдельных узлов в 5-7 раз); б) восстановление и защита механизмов с предремонтным состоянием и возможность продолжения их эксплуатации значительное время без капитального ремонта; в) увеличение срока службы масел и смазок более чем в 2 раза; г) снижение расхода горюче-смазочных материалов.

Технология принята к внедрению на ОАО «ГМК «Норильский никель». Может быть, автотранспортным предприятиям компаний, работающих в условиях Крайнего Севера, таких, например, как АЛРОСА или «Полюс Золото», будет полезно изучить этот опыт.

4. УДА в медицине

Исследования в этой области находятся пока на начальной стадии. В частности, сообщается о создании на плоской подложке надмолекулярной структуры окисная пленка алюминия - адгезионный слой – наноалмаз - люцифераза. Показано, что фермент сохраняет каталитическую активность в данной структуре и она может рассматриваться как прототип люминесцентного биочипа для использования в биолюминесцентном анализе. В Институте биофизики Сибирского отделения РАН опробовано применение наноалмазов для выделения рекомбинантного апообелина и рекомбинантной люциферазы из бактериальных клеток E. coli. Применение наноалмазов упрощает процедуры очистки белков, сокращает время их выделения, исключает из процесса специализированное хроматографическое оборудование, позволяет получить высокоочищенные препараты апообелина и люциферазы с выходом белков порядка 45%.

5. Зародыши для выращивания алмазных пленок

Наноалмазы используют при исследовании искусственных CVD алмазных пленок, например в Физико-технический институт им. Иоффе РАН (Санкт-Петербург), ТРИНИТИ (Троицк). Суспензия ультрадисперсного наноалмаза была использована для создания высокой плотности центров нуклеации алмаза на различных подложках. Из газовой фазы СВЧ разряда на подложки ряда материалов, обработанные с использованием ультрадисперсного наноалмаза, осаждены высококачественные легированные алмазные пленки с целью их использования в качестве электродов для электрохимии. Для кремниевых подложек получено равномерное распределение центров нуклеации с концентрацией не менее 1010 cm-2. Для сплошных пленок проведено измерение электрохимических кривых ток - потенциал. С использованием селективной нуклеации выращены алмазные сетки различной прозрачности. Успешное получение высококачественных легированных алмазных сеток дает основания считать их наиболее перспективными электродами для использования в электрохимии.

6. Катализаторы

Некоторые сорта наноалмазов имеют сложную структуру: наночастица состоит из алмазного ядра и графитоподобной оболочки, на поверхности которой располагается функциональный покров: кислородсожержашие (карбоксильные, гидроксильные, эфирные и другие активные группы) и азотсодержащие (аминные, амидные) группы. Для целей катализа поверхность наноалмазов модифицируют и активируют, например во фтор-содержащей низкотемпературной плазме. При среднем диаметре 4,2 нм число поверхностных атомов составляет примерно 15%.

Катализаторы на основе наноалмазов опробованы для конверсии СО в СО2. Перспетивны каталитические реакции разложения спиртов (этанола, метанола) как источника энергии.

Применение электрохимического модифицирования в соляно-кислом растворе и промотирования палладием поверхности наноалмазных порошков перспективно для создания катализаторов и электродов низкотемпературных топливных элементов.

Заключение

Наиболее продвинутая область применения наноалмазов это полировальные составы, хром-алмазные износостойкие покрытия для нефтедобычи и добавки к машинным маслам.

Интерес к наноалмазам велик и в Европе и на Востоке (Япония, Корея, Китай). Но широкому внедрению препятствует ряд проблем:

отсутствие стандартизации наноалмазов;

низкая стабильность качества наноалмазов у различных производителей;

незрелость технологий;

отсутствие опыта работы с наноалмазами.

Однако уникальные свойства наноалмазов гарантируют им присутствие в арсенале инновационных технологий. А нерешённые проблемы дают возможность диамантерам приложить свой творческий потенциал.

Владимир Тесленко, Rough&Polished

© 2007 Rough and Polished, www.rough-polished.com