Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie.
Vydavatel: AGA (Aldebaran Group for Astrophysics)
Číslo 30 – vyšlo 11. srpna, ročník 13 (2015)
© Copyright Aldebaran Group for Astrophysics
Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno.
ISSN: 1214-1674,
Email: bulletin@aldebaran.cz

Nanodiamanty

Vladimír Přibyl

Nanodiamanty jsou diamanty, jejichž rozměry se pohybují v rozmezí 4÷6 nm. V přírodě je můžeme nalézt například v meteoritechMeteorit – pozůstatek po meteoroidu, těleso pocházející z meziplanetárního prostoru, které se srazilo s planetou (Země, Mars, …), přežilo průlet atmosférou a dopadlo na povrch.. Patří k rozsáhlé skupině uhlíkových nanomateriálů. Nejvýznamnějšími vlastnostmi jsou vysoká tvrdost, velký index lomu a relativně velká tepelná vodivost. Nejvýznačnějšími chemickými vlastnostmi jsou stabilita, biokompatibilita a široká modifikace povrchu pro navázání organických molekul.

Čtyři nanodiamanty v meteoritu Marchison

TEMTEM – transmisní elektronová mikroskopie, vytváření obrazu tenkého předmětu (cca do 100 nm tloušťky) průchodem energetických elektronů. Obraz tvořený prošlými elektrony je následně zvětšen a zaostřen elektronovou optikou a na stínítku převeden na viditelné záření, které je většinou dále zaznamenáváno CCD kamerou. Pokud je vzorek touto technikou skenován, hovoříme o skenovací transmisní elektronové mikroskopii (STEM). Jinou technikou je SEM, při které se obraz vytváří z odražených elektronů. obrázek čtyř nanodiamantů nalezených ve vzorku z meteoritu MurchisonMurchison – uhlíkatý meteorit, který dopadl v Austrálii v blízkosti vesničky Murchison dne 28. září 1969. Bylo nalezeno mnoho úlomků s celkovou hmotností přes 100 kilogramů. Jde o jeden z nejzkoumanějších meteoritů.: Nanodiamanty jsou obklopené neuspořádanou formou uhlíku. Jasné izolované skvrny jsou atomy nečistot. Zdroj: AJL.

Alotropie – vlastnost chemického prvku označující jeho schopnost vyskytovat se v několika různých strukturních formách, které mají výrazně odlišné fyzikální vlastnosti.

Autokláv – přístroj-reaktor konstruovaný pro reakce probíhající za vysokého tlaku a teploty. V laboratořích se autokláv typicky používá ke sterilizaci materiálů v laboratorním skle, zejména médií. Samotný proces sterilizace je prováděn za zvýšeného tlaku vlhkým teplým vzduchem.

Konfokální mikroskop – druh optického mikroskopu, jehož výhodou je vyšší rozlišovací schopnost daná detekcí světla pouze z ohniskové roviny mikroskopu.

Rastrovací konfokální mikroskop – používá jako zdroj světla laserový paprsek, ten je fokusován na clonku, dále prochází objektivem až na vzorek, kde je obraz clonky fokusován do bodu, jehož průměr odpovídá difrakční mezi (rozlišovací mez). Přes stejný objektiv jde zpětně i světlo na vzorku odražené či rozptýlené, případně fluorescence. Sekundární světlo putující zpět prochází opět clonkou. Jeho bodový obraz je s pomocí děliče paprsků lokalizován před fotonásobič, kde je umístěna druhá konfokální bodová clonka, která filtruje světlo pocházející z oblasti mimo ohniskovou rovinu mikroskopu. Obraz celé zaostřené roviny lze pak získat rastrováním bod po bodu. (Wikipedie)

Co jsme se učili ve škole

Uhlík (latinsky Carboneum, anglicky Carbon)
chemická značka	C
protonové číslo	6
relativní atomová hmotnost	12,011
skupina	IV.A.
teplota tání (°C)	3 825
teplota varu (°C)	4 824

UhlíkUhlík – Carboneum, chemický prvek, tvořící základní stavební kámen všech organismů. Sloučeniny uhlíku jsou jedním ze základů světové energetiky, kde především fosilní paliva jako zemní plyn a uhlí slouží jako energetický zdroj pro výrobu elektřiny a vytápění, produkty zpracování ropy jsou nezbytné pro pohon spalovacích motorů a silniční dopravu. Výrobky chemického průmyslu na bázi uhlíku jsou součástí našeho každodenního života ať jde o plastické hmoty, umělá vlákna, nátěrové hmoty, léčiva a mnoho dalších. je základním prvkem naší biosféry. Je nepostradatelnou součástí všech organických sloučenin. Je to stabilní prvek vyskytující se ve dvou základních alotropníchAlotropie – vlastnost chemického prvku označující jeho schopnost vyskytovat se v několika různých strukturních formách, které mají výrazně odlišné fyzikální vlastnosti. modifikacích.

vlastnost	grafit	diamant
tvrdost	1÷2	10
hustota (kg/m³)	2 270	3 513
elektrická vodivost (Ω^–1m^–1)	10⁵÷10⁶	10^–11÷10^–18
tepelná vodivost (Wm^–1K^–1)	25÷470	2 000
rychlost zvuku (m/s)	1 470	18 350
index lomuIndex lomu – absolutní index lomu je v homogenním izotropním prostředí bez disperze definován jako podíl rychlosti světla a fázové rychlosti. Obecně je index lomu komplexní veličina závislá na frekvenci, v případě anizotropního prostředí tenzorová. Frekvenční závislost reálné části popisuje disperzi v daném prostředí. Imaginární část indexu lomu popisuje (v závislosti na znaménku) absorpci nebo zesílení světla. Relativní index lomu je dán poměrem indexů lomu prostředí, do kterého záření vstupuje vůči indexu lomu prostředí, z něhož záření vychází. Na rozhraní dvou prostředí je relativní index lomu roven podílu sinu úhlu dopadu a sinu úhlu lomu (Snellův zákon). Uvozující přídavné jméno (absolutní nebo relativní) se často vypouští, takže zda se jedná o absolutní či relativní index lomu poznáme pouze z kontextu.	–	2,417
krystalizační soustava	šesterečná	krychlová

Diamant má ze všech přírodních materiálů, které nevykazují dvojlom, největší index lomuIndex lomu – absolutní index lomu je v homogenním izotropním prostředí bez disperze definován jako podíl rychlosti světla a fázové rychlosti. Obecně je index lomu komplexní veličina závislá na frekvenci, v případě anizotropního prostředí tenzorová. Frekvenční závislost reálné části popisuje disperzi v daném prostředí. Imaginární část indexu lomu popisuje (v závislosti na znaménku) absorpci nebo zesílení světla. Relativní index lomu je dán poměrem indexů lomu prostředí, do kterého záření vstupuje vůči indexu lomu prostředí, z něhož záření vychází. Na rozhraní dvou prostředí je relativní index lomu roven podílu sinu úhlu dopadu a sinu úhlu lomu (Snellův zákon). Uvozující přídavné jméno (absolutní nebo relativní) se často vypouští, takže zda se jedná o absolutní či relativní index lomu poznáme pouze z kontextu., světlo se v něm tedy pohybuje nejpomaleji (cca 120 000 km/s). V uměle vytvořených médiích lze rychlost světla dále zpomalit, nebo světlo dokonce zastavit (viz AB 15/2003).

Krystalografické soustavy uhlíku (nalevo) a diamantu (napravo). Zdroj: Wikichemia.

Diamant

Diamant je nejtvrdší přírodní minerál a jedna z nejtvrdších látek vůbec. Vznikl ve svrchním zemském plášti za teplot 900 až 1 300 °C a tlaku 4,5 až 6 GPa v ultrabazických vyvřelinách, tzv. kimberlitech. Nejznámější naleziště je v JAR. Hmotnost diamantu se udává v karátech. Metrický karát (carat) je definován jako 0,2 gramu a značí se ct. Tedy diamant o hmotnosti 1 g má 5 ct. Jeden z nejznámějších diamantů Koh-i-noor má hmotnost 108,9 karátů, tedy 21,78 g.

Diamant

Diamant je jediným drahokamem, který může mít celou škálu barev. Na rozdíl od ostatních drahokamů, kde je barva žádoucí, je naopak vysoce ceněný diamant bezbarvý. Barva diamantu se posuzuje podle barevné stupnice GIA (Gemological Institute of America), která diamanty dělí dle barev za pomoci písmen abecedy od D po Z. Písmeno D označuje naprosto bezbarvé diamanty (prvotřídně bílé).

Diamant nebo briliant?

Označení briliant nese diamant podle tzv. briliantového brusu, známého z roku 1910. První výpočet moderního brusu provedl Marcel Tolkowski v roce 1917. Spočítal správný sklon fazet. Ideální diamantový brus má 57 fazet: jednu horní plochu, pak 32 fazet horních a 24 dolních.

Diamanty se využívají zejména ve šperkařství (čiré přírodní) a nástrojové technice pro svoji tvrdost (tmavé až černé syntetické). První úspěšná syntéza diamantu byla provedena až v roce 1951, kdy ji v laboratoři General Electric uskutečnili Francis.P. Bundy, H. M Hall, H. M. Strong a R. H. Wentorf.

Briliantivý brus. Zdroj: TrustWorthy.

Nanodiamanty

Již bylo řečeno v úvodu, nanodiamanty můžeme nalézt v meteoritech. To by nám k průmyslovému využití nebylo mnoho platné. Jak se tedy nanodiamanty průmyslově vyrábějí?

UDDG nanodiamanty vyrobené detonační technikou

UDDG (Ultra Diamount Disperse Grafite) nanodiamanty vznikají při explozi TNT (Trinitrotoluen) a RXD (Research Department Explosive) neboli hexogenu v uzavřené odpalovací komoře ve vodním nebo suchém prostředí. Vznikají na čele detonační vlny v časech kolem několika mikrosekund. Jejich velikost se pohybuje v řádu 5 nm. Proces exploze je intenzivně chlazen. Čím větší kapacita chladícího média v komoře, tím větší nanodiamanty vznikají.

Výroba UDDG nanodiamantů. Zdroj: Diamond Abrasives.

Zdrojem uhlíku pro růst nanodiamantu jsou výbušniny TNT a hexogen

Zdrojem uhlíku pro růst nanodiamantu je samotná výbušnina TNT a hexogen.

Detonační nanodiamanty jsou na povrchu obaleny slupkou grafitu a amorfního uhlíku. Pro další průmyslové využití se vzniklé „saze“ při vysoké teplotě a tlaku v autoklávechAutokláv – přístroj-reaktor konstruovaný pro reakce probíhající za vysokého tlaku a teploty. V laboratořích se autokláv typicky používá ke sterilizaci materiálů v laboratorním skle, zejména médií. Samotný proces sterilizace je prováděn za zvýšeného tlaku vlhkým teplým vzduchem. nechají vařit s kyselinami po dobu několika dní, aby se odstranil přebytečný kontaminační materiál z materiálu komory a nediamantového uhlíku. Tím vzniká čistý nanodiamant UDD (Ultra Diamount Disperse).

Disperze nanodiamantů ve vodě, rozměry jsou 5÷7 nm. Zdroj: Life Science Journal.

Ultrazvukově syntetizované nanodiamanty

Aplikováním vysoce intenzivního ultrazvuku v kapalinách docílíme velice extrémní jevy. Zvukové vlny, které se šíří v kapalině, způsobí lokální prudké zvýšení a snížení tlaku, které závisí na frekvenci. Přitom vznikají malé vakuové bubliny nebo dutiny (tzv kavity). Jakmile tyto bublinky dosáhnou určité velikosti, nejsou dále schopny přijímat energii a následně při fázi zvýšeného tlaku kolabují. Tím vznikají rázy šířící se rychlostí až 280 m/s. Tomuto jevu se říká ultrazvuková kavitace. Je nasnadě, že tímto procesem by mohly vznikat nanodiamanty.

V roce 2008 se ukázalo, že je možné tímto způsobem vyrobit nanodiamnty ze suspenze grafitu v organické kapalině za atmosférického tlaku a teploty. V experimentu se použila kapalina s vysokým bodem varu a intenzita zvuku kolem 80 W/cm². Při této konfiguraci se vytvořil tlak kolem 15 barů. Vzniklé nanodiamanty dosahovaly rozměrů 6÷9 μm, byly velice ostré a vysoce opticky čisté.

SEMSEM – Skenovací Elektronová Mikroskopie, vytváření obrazu předmětu elektronovým mikroskopem z odražených elektronů. Energetický svazek elektronů skenuje povrch vzorku. Obraz tvořený odraženými elektrony je následně zvětšen a zaostřen elektronovou optikou a na stínítku převeden na viditelné záření, které je většinou dále zaznamenáváno CCD kamerou. Slouží zejména k metalografickým analýzám kovových či pokovených materiálů a chemické analýze jejich složení na základě spektrometrie charakteristického rentgenového záření buzeného dopadajícím elektronovým svazkem. Jinou technikou je TEM, při které se obraz vytváří z prošlých elektronů. obrázek nanodiamantů syntetizovaných ultrazvukovou kavitací.
Zdroj: .Khachatryan et al. 2008.

Nanodiamantové filmy

Další velmi účinnou metodou je urychlená deposice z plynné fáze při mikrovlnném výboji. Nejde tedy o přírodní diamant ani o diamant syntetizovaný za extrémně vysokých teplot a tlaků, jež se již řadu desetiletí používá například pro přípravu diamantového brusiva. Jedná se o velmi čistý diamant připravený rozkladem směsi metanuMetan – nejjednodušší uhlovodík, CH₄. Patří mezi tzv. alkany. Při pokojové teplotě je to netoxický plyn bez barvy a zápachu, lehčí než vzduch. Hlavním zdrojem metanu je přírodní surovina, zemní plyn. a vodíkuVodík – Hydrogenium, je nejlehčí a nejjednodušší plynný chemický prvek, tvořící převážnou část hmoty ve vesmíru. Má široké praktické využití jako zdroj energie, redukční činidlo při chemické syntéze a v metalurgii nebo jako náplň balonů a vzducholodí. Vodík objevil roku 1766 Henry Cavendish. v mikrovlnném výboji (1 300 W) za sníženého tlaku (30 mbar) a při relativně nízké teplotě podložky (600÷850 °C). Podložkou může být například křemíkováKřemík – polokovový prvek, hojně se vyskytující v zemské kůře. Slouží jako základní materiál pro výrobu polovodičových součástek nebo položek pro pěstování nanostruktur. Oxid křemičitý je základní surovina pro výrobu skla a významná součást keramických a stavebních materiálů. Objev křemíku je připisován švédskému chemikovi J. Jacobu Berzeliovi (1824). destička o průměru 10 cm a více.

Vlastnosti nanodiamantů

Tvrdost. V Mohsově stupnici tvrdosti zaujímá nejvyšší příčku s číslem 10.

Optické vlastnosti. Diamant, charakteristický kubickou krystalovou mřížkou, je opticky jednoosý – má jen jedinou hodnotu indexu lomu – nevykazuje dvojlom. Hodnota indexu lomu je 2,417 (ale karbid křemíku Moissanit má vyšší 2,65÷2,69). Z jednolomných materiálů je index lomu diamantu nejvyšší. Vyšší hodnoty jsou naměřeny jen u přírodního anatasu a rutilu, přičemž oba jsou dvojlomné.

Široké možnosti modifikace povrchu umožňují navázat na jeho povrch různé organické molekuly, léčiva apod.

Tepelná vodivost. Při pokojové teplotě několikanásobně převyšuje vodivost mědi (a dvacetinásobně vodivost křemíku), což řeší problémy s odvodem tepla z elektronických součástek.

Biokompatibilita. Lidský organizmus přijímá nanodiamant jako svoji přirozenou součást, nejsou známé žádné negativní účinky. Naopak některé jiné nanostruktury jsou pro lidský organizmus karcinogenní.

Aplikace nanodiamantů

Nové tranzistory. Zakončení diamantového povrchu vodíkem nebo kyslíkem mění jeho povrchovou vodivost více než milionkrát. Tyto unikátní povrchové vlastnosti potom umožňují pomocí oxidace hrotem AFM mikroskopuAFM – Atomic Force Microscope, mikroskop atomárních sil, zařízení skenující povrch materiálu pomocí hrotu zavěšeného na pružném výkyvném raménku. Hrot je přitahován k povrchu elektrostatickými a van der Waalsovými silami. Sledování pohybu raménka (zpravidla laserem) umožní rekonstruovat třírozměrný obraz povrchu studovaného materiálu. Mikroskop je tak citlivý, že může sledovat jednotlivé atomy. AFM mikroskop byl vynalezen v roce 1986 Gerdem Binningem, Calvinem Quatem a Christophem Gerberem. vytvářet například tranzistory či jiné umělé nanostruktury.

Aplikace léčiv. Nanodiamanty mohou na svůj povrch vázat účinné látky, a stát se tak jejich nosiči.

Kontaktní čočky. Zelený zákal je jednou z nejčastějších příčin slepoty na celém světě. Jsou vyvíjeny kontaktní čočky s nanodiamanty, které umožní snadné a postupné uvolňování léku.

Jaderná energetika. Nanodiamanty se mohou využít k pokrytí jaderných palivových tyčí. Dosud užívaný zirkon reaguje za vysokých teplot s horkou vodou a párou a vytváří přitom výbušný vodík. Diamant je vůči okolí palivového článku neaktivní a navíc dobře vede teplo. (Patentová přihláška Ústavu energetiky Strojní fakulty ČVUT)

Maziva a barvy. Suspenze nanodiamantů jako přísada do barev způsobí vylepšení mikrotvrdosti povrchu (otěru), vylepší tepelnou vodivost na povrchu a nezávislost barevného spektra na povětrnostních podmínkách.

Nanodiamanty u nás

Pro výzkum rakoviny, buněčného metabolizmu i architektury buněk jsou potřeba mikroskopické metody umožňující sledovat buňku po velmi dlouhý čas při intenzivním osvětlení. Jednou z takových metod je tzv. konfokální mikroskopieKonfokální mikroskop – druh optického mikroskopu, jehož výhodou je vyšší rozlišovací schopnost daná detekcí světla pouze z ohniskové roviny mikroskopu., při níž jsou objekty obarvené fluorescenčními barvivy pozorovány s vysokým rozlišením v laserovém svazku.

Pohled do krystalové mřížky diamantové nanočástice obsahující unikátní
fluorescenční poruchu, která je nezničitelná působením světla.

Centrum N-V

Do krystalové mříže nanodiamantu lze implementovat centra N-V (dusík-vakance),
která vykazují velmi stabilní fluorescenci. Zdroj: [3].

Fluorescenční barviva vykazují zvláštní chování: v odraženém a průchozím světle mají rozdílné barvy. Jedním z velkých nedostatků této i podobných metod je rychlá degradace barviv působením intenzivního světla. Vývoj nových látek vysoce odolných proti degradaci světlem tak představuje jeden z klíčových problémů, jejichž překonání může posunout hranice metod, a zlepšit tak naše porozumění buněčným procesům.

Vědci z Ústavu organické chemie a biochemie AV ČR, Českého vysokého učení technického, Ústavu jaderné fyziky AV ČR a Fyzikálního ústavu AV ČR společně s kolegy z Belgie a Německa vyvinuli metodu, která pro nanodiamanty otevírá novou oblast aplikací. Z málo aktivních diamantových nanočástic lze nyní připravit vysoce jasné fluorescenční nanosondy. Tyto diamantové nanočástice mají unikátní vlastnosti, které je odlišují od jiných barviv: nelze je vybělit světlem, což u naprosté většiny podobných materiálů představuje kritický problém pro jejich aplikace.

K čemu všemu lidstvo nanodiamanty využije si nyní možná neumíme ani představit, ale už teď víme, že jimi budeme obklopeni.

Odkazy