Наноалмазы

У меня в руке точная с точки зрения размеров и морфологии реплика самого большого природного алмаза. Куллинан весом 600 грамм был найден в начале XX века в Африке. Из его морфологии видно, что в природе этот кристалл был отколот от куска примерно вдвое больше. Это самый большой природный алмаз, который известен. Были даже более крупные кристаллы, но они выглядят очень непрезентабельно. Возникает вопрос: а зачем нам вместо такой красоты пытаться сделать синтетические алмазы, которые даже глазу практически незаметны?

С детства нам известно по крайней мере две аллотропных формы углерода: графит, который мы все знаем как материал для карандашей, и алмаз. Как известно из школьного курса физики, при комнатных условиях единственной стабильной формой углерода является графит. Алмаз является термодинамически нестабильным, то есть с точки зрения строгой термодинамики алмаз постепенно должен превращаться в графит. Однако это превращение очень замедленное, и у нас существует большое количество очень качественных, хороших кристаллов алмазов, которые получаются в природе, получаются в лабораториях, и, таким образом, алмаз играет весьма значительную роль. Но повторюсь, что обычно люди всегда стремились к получению кристаллов большого размера.

Зачем нужны наноалмазы и как их получают? История началась с 1960-х годов в Институте экспериментальной физики. Тогда этот город назывался Арзамас-16, сейчас — Саров. Это советский ядерный центр, в котором разрабатывалось атомное вооружение. Группа исследователей в самом начале 1960-х годов пришла к выводу, что если мы поднимем температуру и давление, то можем получить алмаз из графитоподобного углерода, или из графита, или из сажи. То есть мы переводим в алмазную форму графит — это sp2 углерод, то есть углерод, характеризующийся определенным типом химических связей. Для этого вещество надо сильно нагреть и сжать, потому что естественно, что если мы просто нагреваем, то все графитизируется или сгорает.

Институт экспериментальной физики в первую очередь занимался разработкой ядерного оружия. Для них было естественно попробовать сделать взрыв с использованием обычной взрывчатки — тротила или гексогена, но в замкнутом объеме и попробовать посмотреть на продукты взрыва. Выяснилось, что можно подобрать такие условия, когда мы в замкнутом объеме, то есть в металлическом шаре или цилиндре, делаем взрыв. Если мы с достаточно большой скоростью охлаждаем взрываемый объект и он не разлетается на части, внутри образуются продукты взрыва — сажа. Если ее обработать сильными растворителями, например азотной кислотой, которая постепенно растворяет графитоподобный углерод, останется алмаз.

Алмазы, полученные в результате взрыва, очень маленькие. Средний размер алмазных зерен всего лишь 4–5 нанометров (нанометр — 10-9 метра). Это очень маленькая величина. На начало 1960-х годов применений для таких мелкодисперсных алмазов не было.

Эти работы в Советском Союзе были закрыты, не публиковались в открытой печати. Полученный в результате взрыва материал назывался ультрадисперсными алмазами. Тогда их применение было совершенно неочевидно, эти работы постепенно были закрыты, и данная тематика прекратила свое существование. Но поскольку людей, которые занимаются взрывными процессами, ударными волнами, достаточно много, подобные эксперименты повторялись неоднократно. В конце 1980-х годов в Советском Союзе и Америке были независимо воспроизведены эти эксперименты, и люди на выходе получили наноалмазы размером 4–5 нанометров, то есть очень мелкие. В реальности выглядит это как черный порошок. Интересным событием было то, что в процессе, который должен все разрушать, вы получаете алмаз.

Когда мы начинаем рассматривать алмазы с точки зрения науки, мы действительно видим, что конечный продукт — это хорошие алмазы размером 4–5 нанометров. Большой вопрос — почему мы практически всегда, независимо от условий, получаем наноалмазы именно такого размера.

С конца 1990-х годов исследование и использование наноалмазов становятся очень большой тематикой как в чисто фундаментальной науке, так и в различных применениях. Чем интересны наноалмазы? Это действительно очень маленькое алмазное ядро, которое, как правило, имеет графитоподобную оболочку. Большим достоинством наноалмазов является то, что если мы их обрабатываем различными химическими реагентами, то само алмазное ядро остается практически неизменным. Алмаз не реагирует с кислотами, а с щелочами реагирует только при очень высоких температурах. А вот графит или графитоподобный углерод гораздо легче реагирует с различными кислотами.

Оказалось, что, подбирая условия обработки, мы можем изменять химию поверхности наноалмазных частиц. Если мы сильно окислили поверхность, то есть у нас образовались химические связи между атомами углерода и кислорода, или если мы восстанавливаем поверхность, у нас образуются различные водородсодержащие группировки. Мы можем, используя методы обычной химии, делать функционализацию алмазов, то есть посадить на поверхность различные интересующие нас химические вещества.

Для биомедицины мы можем посадить различные антибиотики. И тогда у нас получаются очень стабильные наночастицы, на поверхности которых сидит нужная биологически активная молекула. Потом мы можем эти наноалмазы впрыснуть, например, в опухоль, и получится адресная доставка необходимого нам лекарственного вещества. Очень маленький размер алмазных зерен играет очень большую роль именно в связи с тем, что 5 нанометров — это размер частицы, которая спокойно проходит через клеточную мембрану. Поэтому мы можем адресно доставлять лекарства даже в отдельные органеллы клетки.

Наноалмазы могут проходить через барьер между кровеносной системой и мозгом. Доставить какие-нибудь лекарственные средства в мозг очень сложно, потому что наш организм защищается и блокирует прямой обмен между мозгом и кровеносной системой. Наноалмазы позволяют пробить этот барьер и принести лекарственные вещества в мозг.

В настоящее время это очень активно развивающаяся область. Люди пытаются различным образом посадить правильные функциональные химические группы на поверхность алмазных зерен, чтобы обеспечить адресную доставку лекарств. Это очень большая и наиболее активная область применения наноалмазов, которая сейчас существует.

Вторая область — квантовая электроника и различные применения в оптике. Для создания квантовых компьютеров очень важно иметь однофононный эмиттер. Когда у вас есть светящийся объект, вы возбуждаете его светом или электричеством и излучаете строго один фотон, то есть один квант света. Подавляющее большинство однофононных эмиттеров, которые известны в настоящее время, — это различные красители, работающие только при очень низкой температуре. Мы же с вами живем при комнатной температуре, и температура жидкого гелия нам не очень интересна.

Оказалось, что некоторые дефекты в решетке наноалмазов являются очень хорошими однофононными эмиттерами, то есть источниками единичных фотонов. Функционируют эти источники одиночных фотонов даже при комнатной температуре. В связи с этим очень активная область — контролируемое создание дефектов азот-вакансий: убираем один атом углерода из решетки алмаза, получаем вакансию, а рядом с ней мы один атом углерода замещаем атомом азота. Получается дефект, так называемый NV, nitrogen-vacancy, который является однофононным эмиттером.

Резюмируя, можно сказать, что такие абстрактные эксперименты по получению наноалмазов играют все возрастающую роль в широком спектре самых разных прикладных областей, начиная биомедициной и заканчивая квантовой электроникой.