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

http://rough-polished.com/…s/31816.html