مترجم : حبیب الله علیخانی
منبع:راسخون
منبع:راسخون
ساختارهای نانو الماسی یک بعدی
ابتدا ویسکرهای الماسی منظم بوسیله ی روش پایین به بالا( با استفاده از روش اچ کردن پلاسمایی فیلم های الماسی پلی کریستال) تولید شدند از جمله این فیلم ها می توان به فیلم های الماس دارای مولیبدن اشاره کرد( شکل 1).
فیلامنت هایی با قطر میکرونی با استفاده از روش تجمعی- کلوییدی ذرات UNCD تولید می شوند. بعد از استخراج و خشک کردن، این فیلامنت ها مشابه فیلامنت های شیشه ای می شوند اما اندازه گیری بر روی ویژگی های مکانیکی این فیلامنت ها، انجام نشده است. Koscheev و همکارانش همچنین فیلامنت های با قطر میکرونی تولید کردند که شامل ذرات UNCD است. این گروه، این فیلامنت ها را با استفاده از سایش لیزری قرص های نانو الماسی فشرده شده، تولید کردند. برخلاف فیلامنت های با دانسیته ی بالایی که از روش کلوییدی بدست می آیند، الیاف تولید شده با روش سایش لیزری، شبکه ای از زنجیره های نانو ذرات می باشند( شکل 2). مطالعات بر روی ترکیب عنصری و طیف سنجی رامان و فروسرخ فیلامنت ها، این گفته را تأیید می کند که این فیلامنت ها از نانو ذرات اولیه تشکیل شده اند که هنوز دارای ساختار الماسی هستند. بعد از خارج نمودن این مواد از محفظه ی خلأ، کل توده مانند ایروژل عمل می کند.
ستون های نانویی الماسی بر روی تمپلیت های اکسید آلومینیوم آندی رشد داده می شوند. این ستون های پلی کریستال با استفاده از روش CVD پلاسمایی میکروویو و ذرات نانو الماس 50 نانومتری( به عنوان جوانه زا) تولید می شوند. آرایه هایی از ستون های الماسی 300 نانومتری و منظم با طول های ستونی در حدود 5 میلی متر در شکل 3 نشان داده شده است.
اخیرا، نانو میله های تک کریستال از الماس بوسیله ی Ando و همکارانش تولید شده است. این نانو میله ها با استفاده از اچ یونی رآکتیو تولید شده اند. زیرلایه های الماسی تک کریستال مصنوعی که به روش HPHT تولید شده اند( این زیرلایه های دارای صفحات ترجیحی بوده اند)، بوسیله ی روش اچ کردن، برای تولید ماسک های میکرونی مورد استفاده قرار گرفته است( شکل 4).
جنبه های تئوری در مورد پایداری ترمودینامیکی DNR و مورفولوژی های ترجیح داده شده، بوسیله ی Barnard مورد بررسی قرارگرفته است. با استفاده از مدل سازی مقدماتی مورفولوژی های مختلف DNR ، نقش هیدروژن دار شدن سطحی در نظر گرفته شده است که این موضوع برای بدست آوردن وضعیت واقعی در زمینه ی بدست آوردن DNR با ویژگی های ساختاری مشابه با الماس بالک، مفید می باشد. این مسئله به صورت تئوری پیش بینی شده است که گاف های انرژی DNR با اندازه ی کمتر از 1.8 نانومتر، به طور قابل ملاحظه ای کوچکتر از الماس بالک می باشد. DNR ممکن است بسته به قطر نانو سیم ها، مورفولوژی سطحی و میزان هیدروژن دار شدن سطحی، نیمه فلزی یا نیمه رسانا باشد. یکی دیگر از پیش بینی های تئوری بر پایه ی داده های ab initio پیشنهاد می کند که DNR می تواند یک نیرو شکست ترد داشته باشد که مقدار این نیرو از مقدار این نیرو برای نانو تیوب های کربنی با شعاع بزرگتر از 1 تا 3 نانومتر، بیشتر می شود( بسته به جهت گیری DNR). عموما، این آشکار شده است که DNR یک ساختار مهم و هدفمند برای سنتز می باشد.
ساختارهای نانوالماسی دو بعدی
نانوصفحات الماسی تک کریستال اخیرا بر روی زیرلایه های الماسی پلی کریستال رشد داده شده اند. این زیرلایه ها پیش از رسوب دهی بوسیله ی یک فیلم 100 نانومتری از نیکل، پوشش دهی می شود. رسوب دهی در دمای ℃1000 و در یک رآکتور CVD پلاسمایی میکروویو با استفاده از مخلوط گازی متان/ هیدروژن انجام شده است. تصاویر میکروسکوپ الکترونی عبوری و روبشی آشکار کرده است که این نانو صفحات دارای اشکال منظم مثلثی و متوازی الاضلاع هستند که در آنها ضخامت در گستره ی 30 تا 70 نانومتر و طول آنها از چند صد نانومتر تا چند میکرون است( شکل 5). لبه های صفحات کوچک در طول جهات {110} قرار می گیرد. و صفحات بالایی و پایینی آنها با صفحات (111) موازی است. مورفولوژی صفحات کوچک این مسئله را نشان می دهد که آنها بوسیله ی رشد عرضی، تشکیل شده اند؛ اگر چه اثر نیکل بر روی تشکیل نانو صفحات الماسی مشخص نشده است. این نتایج، به همراه نتایج بدست آمده در زمینه ی رشد DNR، که در بالا مورد بررسی قرار گرفت، اثبات می کنند که سنتز نانو الماس های تک کریستالی با ابعاد مناسب، یک واقعیت است.
ساختارهای نانو الماسی سه بعدی
سه نوع از ساختارهای UNCD سه بعدی که هم اکنون به صورت تجاری در آمده است، عبارتند از فیلم های UNCD، کربن با ساختاری الماسی مشتق شده از کاربیدها و ذرات UNCD زینترشده ی بالک.
فیلم های UNCD با دانه های 2 تا 5 نانومتری در آزمایشگاه ملی آرگون، سنتز شده است. این فیلم ها با استفاده از روش رسوب دهی پلاسمایی جدید تولید شده اند که در آن، از مقدار قابل توجهی گاز نجیب استفاده می شود. فیلم های الماسی الترانانوکریستالی از بسیاری از جنبه ها از فیلم های الماسی میکروکریستالی، بهترند. در واقع بر خلاف این فیلم های الترانانوکریستالی جدید، فیلم های سنتی نرم، با دانسیته ی بالا، بدون پین حول، با خلوص فازی بالا هستند و می تواند بر روی گستره ی وسیعی از مواد اعمال شوند.
اخیرا، یک روش برای سنتز کربن الماسی بوسیله ی Gogotsi و همکارانش، توسعه یافته است. این روش بر اساس استخراج سیلیکون از کاربید سیلیکون یا کاربید فلزی در گازهای کلردار در فشار و دمای متعارف( دمایی کمتر از 1000℃) ابداع شده است. الماس های نانو کریستالی با اندازه ی کریستالی کمتر از 5 نانومتر بعد از استخراج سیلیکون یا فلز از کاربید، تولید می شود. در این روش ذرات الماس با اندازه ی 5 نانومتر در داخل زمینه ای آمورف تولید می شوند( این زمینه در طی کلرینه شدن TiC تشکیل می شود). یک ساختار آمورف از کربن/ نانو الماس اخیرا با استفاده از یک روش مشابه با روش آنیل کردن فیلم های کربنی دارای سیلیکون، تولید شده است. کربن و سیلیکون به طور همزمان از روی زیرلایه های کربنی آمورف (در دمای اتاق و خلا 〖10〗^(-4) Pa) تبخیر می شوند. دانه های نانو الماسی با اندازه ی 1.2 نانومتر در فیلم های کربنی دارای سیلیکون شناسایی شد. پس از مرحله ی رسوب دهی، فیلم ها در دمای 400 تا 800℃ تحت خلأ، عملیات حرارتی شدند. در این مرحله، دانه های الماس با اندازه ی 5 تا 50 نانومتر( بسته به دمای آنیل) رشد می کنند. رشد الماس و بتا سیلیسیم کاربید با تنظیم دمای حرارت دهی و درصد سیلیسیم مورد استفاده، قابل کنترل می باشند. این آشکار شده است که در این فرایند، نقش سیلیسیم به عنوان کاتالیزور می باشد. در این فرایند، در صورتی که به جای سیلیسیم از ژرمانیوم استفاده شود، نانو الماس تشکیل نمی شود.
یکی دیگر از شکل های بالک مورد توجه از نانو ذرات الماس، کامپوزیت های نانو الماسی است. این کامپوزیت ها شامل ذرات UNCD هستند که این ذرات به زمینه ی پیروکربنی متصل شده است. پودر UNCD در داخل یک محفظه ی دارای شکل معین قرار داده می شود و بوسیله ی پیروکربن تشکیل شده بوسیله ی تجزیه ی متان، پیوند ایجاد می شود. این ماده دارای 50 تا 70 % تخلخل است و دارای مدول یانگ نسبتا بالایی می باشد( 30 GPa). اندازه ی تخلخل های ایجاد شده در این ماده از 20 تا 30 نانومتر بزرگتر نمی باشند و شعاع متوسط آنها 4.5 نانومتر است. داشتن تخلخل بالا، موجب می شود تا ماده دارای فعالیت جذبی بالایی باشد. این مسئله مخصوصا برای بیومولکول های بزرگتر، بیشتر به چشم می آید. تولید این ماده در کارخانه ی Skeleton Technologies( یک کارخانه ی سوئیسی) انجام شده است.
به طور خلاصه باید گفت که روش های جدیدی از سنتز نانو الماس در چند سال اخیر توسعه یافته است.
ذرات الترانانو کریستالی الماس( تولید شده به روش انفجار احتراقی)
سنتز و ویژگی ها
در روش استفاده از انرژی ایجاد شده از انفجار برای تولید الماس، خوشه های الماس از اتم های کربنی تشکیل می شوند که به خودی خود دارای مولکول های آتش گیر هستند. بنابراین در این روش تنها مواد آتش گیر مورد استفاده قرار می گیرد. گستره ی وسیعی از مواد آتش گیر می تواند در این روش سنتز مورد استفاده قرار گیرد. مخلوط انفجاری، معمولا یک مخلوط از TNT( 2 متیل 1، 3، 5 تری نیتروبنزن) و هگزون( با نسبت 60 به 40) می باشد که از کربن، نیتروژن، اکسیژن و هیدروژن تشکیل شده است. در این مخلوط بالانس اکسیژن منفی است و از این رو کربن اضافی در سیستم وجود دارد. بالانس منفی اکسیژن در این سیستم یک وضعیت مهم برای تشکیل UNCD است. انفجار در محیط غیر اکسیدی ( شکل 6) از گازهای دیگر، انجام می شود. این محیط می تواند تر یا خشک باشد. محیط مورد استفاده در این روش سنتز به عنوان بخش مبرد عمل می کند. برای جلوگیری از تشکیل UNCD در موج انفجاری( به دلیل وقوع استحاله ی گرافیت در دمای بالا)، سرعت سرمایش محصولات واکنش دهنده باید کمتر از 3000 کلوین بر دقیقه باشد. شک اولیه ی ایجاد شده از ماده ی منفجره باعث می شود تا فشار بالایی از مواد انفجاری ایجاد شده و با افزایش حرارت در این مخلوط انفجاری، تجزیه ی ترکیبات نیز رخ می دهد. این مسئله موجب می شود تا مقادیر بالایی انرژی در یک میکرو ثانیه ایجاد شود( شکل 6). همین طور که موج انفجار گسترش می یابد، دمای بالا( در گستره ی 3000 تا 4000 کلوین) و فشار بالایی( در گستره ی 20 تا 30 گیگا پاسکال) ایجاد می شود که این گستره از دما و فشار در گستره ی ناحیه ی پایداری الماس است( شکل 7). در طی انفجار، کربن آزاد به صورت کلاسترهایی تشکیل می شود و با استفاده از فرایند نفوذ، بزرگ می شود. محصول سنتز انفجاری، دوده یا مخلوط الماسی نامیده می شود. این مخلوط شامل 40 تا 80 درصد وزنی فاز الماسی است( بسته به شرایط انفجار).
عموما دو نیاز تکنولوژیکی اصلی برای سنتز UNCD با استفاده از روش انفجاری، مورد نیاز است. یکی اینکه ترکیب شیمیایی مواد منفجره باید شرایط ترمودینامیکی مطلوب را برای تشکیل الماس، فراهم آورد. دوم اینکه ترکیب شیمیایی اتمسفر گازی باید سرعت های سرد کردن مورد نیاز برای جلوگیری از اکسیداسیون الماس را فراهم آورد. بازده تشکیل الماس به طور قابل ملاحظه ای به مخلوط انفجاری وابسته است. شکل انفجار نیز بر روی بازده اثر می گذارد( شکل ایده آل کروی است). همچنین 5 کیلوگرم ماده برای پر کردن یک محفظه ی 11 متر مکعبی مورد نیاز است.
علاوه بر UNCD، مخلوط الماسی دارای ساختاری شبه الماسی( 35 تا 45 % وزنی) است و دارای ناخالصی های غیر قابل سوختن است( مثلا فلزات و اکسیدهای آنها( 1 تا 5 %)). با استفاده از تفرق اشعه ی X و تفرق اشعه ی x را زاویه ی کوچک، نشان داده شده است که کلاسترهای UNCD در دوده انفجاری دارای ساختاری پیچیده است. در این ساختار یک هسته ی الماسی با اندازه ی تقریبی 4.3 نانومتر و یک پوسته ی کربنی با پیوند sp2 وجود دارد.
خالص سازی UNCD بوسیله ی روش شیمیایی و مکانیکی، انجام می شود. بعد از زدایش مکانیکی مخلوط های بدست آمده از فرایند، پودر کربن- الماس در اسید نیتریک، تحت عملیات اکسیداسیون قرار گرفته و بدین وسیله فاز الماس آنها جداسازی می شود. در این روش، فلزات حل می شوند و کربن نانو الماسی به طور همزمان، اکسید می شوند. بعد از تمام شدن این مرحله، الماس تولیدی بوسیله ی آب شستشو می شود. بعد از خالص سازی، پودر UNCD می تواند به عنوان یک کامپوزیت مورد استفاده قرار گیرد. عموما روش خالص سازی UNCD و خلوص UNCD از محصولی به محصول دیگر، متفاوت است.
مقدار ناخالصی نانو الماس تولید شده با روش سنتز انفجاری در مقایسه با سایرروش های تولید الماس مصنوعی، بیشتر است. محصولات تجاری تولید شده با این روش، دارای گرید هایی از جمله ی سوسپانسیون های الماسی و پودرهای بدست آمده از سوسپانسیون می باشد. این پودر از خشک کردن سوسپانسیون الماس تولید می شود. عموما، تولید UNCD شامل سنتز انفجاری، خالص سازی شیمیایی و شستشوی اسیدی UNCD است. این فرایند ها موجب بهبود و اصلاح الماس می شود.
ویژگی های ذرات UNCD عمدتا عمدتا بوسیله ی اندازه ی نانومتری آنها تعریف می شود. این اندازه، اندازه ی مشخصه در تبدیل جامدات ماکروکولکولی به جامدات کریستالی است. نیمی از تمام اتم ها در این چنین ذرات، در سطح واقع شده اند و بنابراین با اتم ها، اتم ها و گروه های جذب شده، واکنش می دهد. این اتم های جذب شده که ممکن است از تعداد اتم موجود در ذرات الماسی، بیشتر باشند، می تواند به طور مؤثر بر روی ویژگی های فیزیکی و شیمیایی ذرات اثر بگذارند. گروه های عاملی مختلفی می تواند به سطح الماس متصل شوند. این گروه ها را می توان از سطح ذرات شناسایی نمود( شکل 8). برای به حداقل رساندن انرژی سطحی، ذرات UNCD با اندازه ی تقریبی 4 نانومتر کلاسترهای بزرگی را تشکیل می دهند. این کلاسترها دارای اندازه ی 20 تا 30 نانومتر هستند و این کلاسترها نیز آگلومره های بزرگی را تشکیل می دهند. گاهی اوقات اندازه ی این آگلومره ها بزرگ تر از چند صد نانو متر است).
جدول 1 برخی از ویژگی های ذرات UNCD را نشان می دهد. توجه کنید که این ویژگی ها، برخی از ویژگی های پودرهای UNCD هستند. در ادامه برخی از این ویژگی را مورد بررسی قرار می دهیم.
ویژگی های سطحی و الکترونی ذرات الماس نانومتری بوسیله ی اسپکتروسکوپی فوتوالکترونی( XPS) و اسپکتروسکوپی فوتوالکترونی UV( UPS) مورد بررسی قرارگرفته است. در این آزمایشات، نانو الماس بر روی زیرلایه های سیلیکونی بوسیله ی روش الکتروفورتیک رسوب دهی شده است. با توجه به آنالیز XPS، پودر UNCD دارای ناخالصی قابل توجهی( به جز نیتروژن) نیست. مقدار این ناخالصی نیتروژن، در حدود 1 تا 2 % است. فیلم UNCD تولید شده از پودر، دارای پیک اکسیژن قوی است. بعد از عملیات حرارتی این فیلم بوسیله ی پلاسمای میکروویو هیدروژنی و انتقال نمونه به سیستم XPS، مقدار اکسیژن این فیلم صفر می شود.
برخی اندازه گیری ها در مورد ویژگی های الکتریکی پودرها و سوسپانسیون ها در جدول 1 آورده شده است.
کاربردهای ذرات الماسی الترا نانو کریستالی
کاربردهای ذرات UNCD تولید شده با روش انفجاری می تواند به دو نوع سنتی و جدید تقسیم بندی شود. نوع سنتی آنهایی هستند که دو دهه ی قبل مورد استفاده قرار می گرفتند. نوع جدید، آنهایی هستند که در سال های اخیر بر پایه ی نانوتکنولوژی پیشرفته ابداع شده اند. از بین کاربردها، کاربردهای بیولوژیکی باید به طور مجزا در نظر گرفته شود. علت این موضوع این است که این کاربردها، بسیار خاص هستند.
کاربردهای ذرات UNCD تکنولوژیک عبارتست از پوشش های گالوانیک فلزی، خمیرها و سوسپانسیون های پولیش کاری، کامپوزیت های پلیمری، روغن های روان ساز، گریس ها، و مواد سردکننده ی روان ساز هستند.
رسوب دهی الکتروشیمیایی UNCD با فلزات، در بسیاری از کاربردها مانند پوشش های مورد استفاده در واحدهای انتقال، ابزارهای مورد استفاده در الکترونیک، مهندسی الکترونیک، پزشکی، صنعت ساعت و جواهرسازی مورد استفاده قرار می گیرند. مزیت های افزودن UNCD به پوشش های گالوانیکی، عبارت است از افزایش مقاومت به سایش( به میزان 2 تا 13 برابر)، میکروسختی( به میزان دو برابر)، افزایش مقاومت به خوردگی( 2 تا 6 برابر)، کاهش تخلخل، کاهش قابل توجه ضریب اصطکاک، بهبود قابل توجه چسبندگی و پیوستگی و توان پرتاپ بالای الکترولیت. با توجه به کارهای انجام شده، این فهمیده شده است که عمر محصولاتی که در آنها از این ماده استفاده شده است، دو تا 10 برابر افزایش پیدا می کند. این مسئله حتی در زمانی که ضخامت پوشش 2 تا 3 برابر کاهش می یابد، نیز مشاهده می شود. اثر استحکام بخشی این پوشش ها در بسیاری از زیرلایه های فلزی مانند نقره، طلا و پلاتین مشاهده شده است و از این ویژگی در کاربردهای الکترونیکی زیادی استفاده شده است. مخصوصا UNCD به طور گسترده در استحکام بخشی پوشش های کروم رسوب داده شده با فرایند الکترولیتی، مورد استفاده قرار می گیرد. در این فرایند، افزودنی های دارای UNCD بدون هیچ اصلاحی در فرایند تولید، به الکترولیت رسوب دهی لایه ی کروم، اضافه می شود. یک چنین پوششی، عمر مفید قالب ها را افزایش می دهد و علاوه بر آن، بوسیله ی این روش، سطوح یاتاقانی با دقت بالا تولید می شود. مقدار UNCD در پوشش فلزی تقریبا 0.3 تا 0.5 % وزنی می باشد. مقدار UNCD مورد استفاده برای یک لایه ی فلزی با ضخامت 1 میلیمتر، برابر 0.2 گرم است.
ذرات UNCD برای پولیش کاری دقیق مواد مورد استفاده در الکترونیک، مهندسی بی سیم، اپتیک، پزشکی و صنایع جواهرآلات مورد استفاده قرار می گیرد. کامپوزیت های دارای UNCD به ما اجازه می دهد تا سطوحی با هندسه ی پیچیده، تولید کنیم که در آنها ارتفاع زبری در حدود 2 تا 8 نانومتر است. اخیرا، زبری 4 آنگسترم با استفاده از پولیش کاری با آلومینا، سیلیسیم کاربید و سوسپانسیون های UNCD گزارش شده است. UNCD در پولیش کاری اجزای مورد استفاده در فرآوری ویفرهای سیلیکونی در صنعت میکروالکترونیک مورد استفاده قرار می گیرد. UNCD همچنین در صنعت الکترونیک، به عنوان خمیرهای انتقال دهنده ی حرارت و اجزای مورد استفاده در پک های الکترونیکی مورد استفاده قرار می گیرد. این مواد جایگزین اکسید برلیومی شد که به صورت سنتی مورد استفاده قرار می گرفت. مقدار UNCD مرو داستفادهل در این کاربرد، در حدود 1 تا 10 گرم بر متر مربع است.
افزودن UNCD به پلیمرها، موجب افزایش استحکام مکانیکی، مقاومت در برابر سایش، و مقاومت در برابر پیرشدگی حرارتی آنها می شود. با توجه به مطالعات انجام شده، این فهمیده شده است که پوشش های با میزان تأثیر بالای می تواند بر پایه ی افزودن UNCD به الاستومرهای فلئوری و پلی سیلوکسان، تولید شود. با استفاده از این افزودنی ها، می توان استحکام رابرهایی مانند پلی ایزوپرن، بوتادین، استیرن، بوتادین نیتریل و رابرهای طبیعی افزایش یافته است. برای مثال، برای الاستومرهای فلئوری استحکام یافته بوسیله ی UNCD، مدول کششی در ازدیاد طول 100 % و استحکام گسستگی مقید بیش از 10 برابر افزایش می یابد. در این مورد، ازدیاد طول به میزان 1.6 برابر افزایش می یابد. یک افزایش در اتصالات عرضی، یکی از مکانیزم هایی است که به واسطه ی استفاده از UNCD در این مواد، ایجاد می شود. افزودن UNCD به رابرها، مقاومت به سایش اصطکاکی را به میزان 3 تا 5 برابر افزایش می دهد. این استفاده و استحکام گسستگی را به میزان 30 %، دمای شکست را به میزان 15 % افزایش می دهد. چسب های اپوکسی که در آنها از UNCD استفاده شده است، دارای ویژگی ها و خواص چسبندگی قابل توجهی هستند. مصرف خاص UNCD و مخلوط های الماسی 1 تا 5 کیلوگرم بر هر 1000 کیلوگرم رابر می باشد. این مقدار برای پوشش ها و فیلم ها در حدود 1 تا 5 کیلوگرم بر 1000 متر مربع پلیمر است.
افزودن UNCD و مخلوط های الماسی به روغن به ما اجازه می دهد تا سیستم های پایدار و و دوستار محیط زیستی، تولید کنیم. در این سیستم ها، اندازه ی ذرات در حدود 0.5 میکرون است. با توجه به کارهای انجام شده در این زمینه، استفاده از نانو الماس در روغن ها عمر مفید موتور و سیستم های انتقال نیرو را افزایش می دهد و گشتاور اصطکاکی را به میزان 20 تا 40 % کاهش می دهد. استفاده از این ماده در روغن همچنین سایش را در سطوحی که تحت سایش قرار می گیرند را به میزان 30 تا 40 % کاهش می دهد. ذرات UNCD برای افزایش رسانایی حرارتی روغن های دی الکتریک مورد استفاده قرار می گیرد. این نشان داده شده است که پراکنده شدن نانو الماس( به میزان تقریبی 1 %) در روغن( کلاس XO) می تواند رسانایی گرمایی کلی روغن های خنک کننده ی مورد استفادله در سیستم های انتقال توان را به میزان 25 % کاهش می دهد. مصرف ویژه ی نانو الماس یا مخلوط های الماسی در روغن حدودا 0.01 تا 0.02 کیلوگرم بر 1000 کیلوگرم روغن است. کاربردهای جدید UNCD که اخیرا توسعه یافته است، در زمینه ی سیستم های مغناطیسی ثبت داده، جاذب های جدید، اجزای تولید شده از الماس و قالب های تولید شده از مواد دارای الماس، پوشش های مورد استفاده در وسایل انتشار امواج، در کاتالیست های الکتروشیمیایی و غیر هموژن و غشاء های نانو کامپوزیتی مورد استفاده در کاربردهای پیل سوختی است. UNCD ها همچنین به عنوان جوانه زا در فرایند رشد فیلم های الماسی مورد استفاده قرار می گیرد. UNCD های خشک به عنوان جاذب رطوبت معروف هستند.
در سیستم های مغناطیسی ثبت داده، UNCD ها به عنوان افزودنی های ضد سایش و به عنوان اصلاح کننده های فیزیکی در پوشش های فرو- لاسکوار مورد استفاده در نوارها و دیسک های مغناطیسی، مورد استفاده قرار می گیرد. استفاده از این ماده در نوارهای مغناطیسی ثبت داده، می تواند ویژگی های ثبت داده را در این مواد بهبود دهد. در واقع افزودن UNCD می تواند اندازه ی دانه های مغناطیسی را کاهش دهد بنابراین اجازه می دهد تا دانسیه ی ثبت داده افزایش یابد( در حالی که ضرایب اصطکاک و سایش کاهش می یابد).
جاذب های دارای کربن به طور گسترده در صنایع مختلفی مانند پزشکی و فارماکولوژی مورد استفاده قرار می گیرد. بیشتر این مواد، کربن بلک و زغال چوب فعال می باشد. الماس مصنوعی مخصوصا آن دسته از الماس های مصنوعی مورد استفاده در کامپوزیت ها یک گروه جدید از جاذب های دارای کربن هستند. این مواد علاوه بر استحکام بالا، دارای خنثایی شیمیایی خوبی هستند. یکی دیگر از مزیت های این جاذب ها، امکان استفاده ی مجدد از این جاذب هاست.
یکی دیگر از کاربردهای مورد علاقه از نانو الماس، استفاده از این مواد به عنوان منابع نوری است که توانایی انتشار فوتون های منفرد را در زمان مورد نیاز، دارند. در حالی که ذرات نانو الماس مورد استفاده در این کاربرد از روش انفجاری تولید شده است، این مسئله باعث نشده تا از استفاده از نانو الماس های تولیدی با روش های دیگر در این کاربرد، جلوگیری شود. این پیشنهاد شده است که ویژگی های کوانتمی نور انتشار یافته بوسیله ی نانو کریستال های الماسی تنها از مرکز رنگی ایجاد شده بوسیله جاهای خالی نیتروژن، بوجود آمده است. اندازه ی مشخصه ی ذرات الماس مورد استفاده در این آزمایشات، در حدود 40 نانومتر است. با توجه به گفته ی انجام دهندگان این آزمایشات، چند ویژگی نوری مهم برای نانو کریستال های الماس وجود دارد که این ویژگی ها به منظور استفاده از آنها به عنوان منابع نوری فوتون منفرد، مفید می باشد. یکی از این ویژگی ها این است که اندازه ی کوچک طول موج این نانو کریستال ها نامربوط بودن انکسار این نانو کریستال ها را منتقل می کند. یک نانوکریستال می تواند به عنوان یک منبع نوری نقطه ای مورد استفاده قرار گیرد. دومین ویژگی این است که حجم بسیار کوچک الماس تهیج یافته موجب می شود تا نورهای پس زمینه اندکی ایجاد شود. این مسئله برای منابع تک فوتونه مهم می باشد.
به طور خلاصه باید گفت که شواهدی اندک در زمینه ی استفاده از نانو الماس در کاربردهای تجاری، وجود دارد. علت این موضوع بیشتر هزینه ی بالای تولید این مواد است. تولید این الماس ها نیازمند زیرساخت های گسترده ای است.
فیلم های الترا نانوکریستالی الماسی تولید شده با روش رسوب دهی شیمیایی از فاز بخار
فیلم های الماسی الترانانو کریستالی با دانه های 2 تا 5 نانومتری( با و بدون H ) اخیرا در لابراتوآر ملی آرگون در آمریکا، تولید شده است. این فیلم ها با استفاده از روش رسوب دهی شیمیایی از فاز بخار تولید می شوند. فیلم های نازک UNCD با استفاده از پلاسمای غنی از آرگون تولید شده است( به جای استفاده از پلاسمای غنی از هیدروژن). با تنظیم ویژگی های گاز نجیب مانند نسبت هیدروژن در مخلوط گازی، یک استحاله ی از میکرو به نانو کریستال رخ می دهد. این استحاله ی کنترل شده و مداوم از مقیاس میکرو به نانو، یکی از ویژگی های منحصر بفرد این روش است.
استفاده از مقادیر اندک از گازهای دارای کربن( مانند فلرن و ... ) به همراه آرگون، منجر به تشکیل دیمرهای می شود. این گونه در تمام فیلم های نازک UNCD تولید می شود. نانو کریستالیتی نتیجه ای از یک مکانیزم جوانه زنی و رشد جدید است. در این مکانیزم، پیوندهای پای ایجاد شده بوسیله ی موجب می شود تا صفحات (100) الماس دوباره ساخته شوند. سپس اتم های کربن بدون اتصال، با مولکول های موجود در فاز گازی، واکنش می دهند و کریستالیت های جدیدی از الماس را ایجاد می کنند.
الکترودهای الترانانو کریستالی الماسی دارای کاربردهای بالقوه ای هستند. این الکترودها دارای جریان زمینه ای اندکی هستند و دارای فعالیت الکتروشیمیایی بالایی هستند. از این رو می توان از آنها در سیستم های اکسایش- کاهش استفاده کرد. این نتایج به همراه زیست سازگارپذیری آن می تواند منجر به ایجاد کاربردهای جدید الکترودهای UNCD برای شبیه سازی های بخش های پیچیده شود.
UNCD دارای کاربردهای فراوانی هستند. این کاربردها عبارتند از سیستم های میکرو الکترو مکانیکی( MEMS) و آرایه های مکانیکی متحرک( MMA)، وسایل موج اکوستیکی سطحی، بیوسنسورها و سنسورهای الکتروشیمیایی، پوشش های مورد استفاده در آرایه های انتشار میدانی، سوییچ های فرکانس رادیویی و فوتونیک، و پروتزهای خنثی می باشند.
کاربردهای بیولوژیک و پزشکی نانو الماس
این به نظر می رسد که تمام شکل های اصلی کربن در مقیاس نانو( مانند فلرن ها، نانوتیوب ها و نانو الماس( هم به صورت ذره ای و هم به صورت فیلم مانند)) منابعی با ارزش برای کاربردهای بیولوژیکی محسوب می شوند. در میانه ی دهه ی 1990، این نشان داده شد که ترکیبات فلرن دارای فعالیت بیولوژیکی به طور بالقوه می توان از آنها در محصولات درمانی استفاده کرد. به عنوان یک نتیجه، شرکت C Sixty ( یک شرکت دارویی خصوصی) به همین منظور تأسیس شد. تمرکز اولیه ی این شرکت بر روی کشف و توسعه ی گروه جدیدی از مواد دارویی بر پایه ی فلرن بود. فلرن( ) دارای اندازه ای مشابه با هرمون های استرویید یا آلفا هلیک های پپتیدی است و بنابراین ترکیبات فلرنی، مولکول های مناسبی برای برقراری اتصال با آنزیم ها و گیرنده ها هستند. در چند سال اخیر، یک تعداد از کاربردهای بر پایه ی فلرن گزارش شده است. این کاربردها شامل مواد درمانی مانند عوامل ضد ویروسی و داروهای ضد سرطان، سنسورهای برای کاربردهای تشخیصی، عوامل محافظت کننده در برابر تنش اکسیداسیونی القا شده بوسیله ی آهن و عوامل ضد باکتری در بافت زنده می باشد. فلرن ها همچنین در آرایه های بر پایه ی DNA نیز کاربرد دارند.
بررسی ها در زمینه ی استفاده از تیوب های باکی بال در کاربردهای پزشکی نیز در حال انجام می باشد. نانوتیوب های چند دیواره ای برای بی حرکت کردن پروتئین ها، آنزیم ها و آلیگونوکلئیدها مورد استفاده قرار می گیرند. پیشرفت های زیادی در سال های اخیر در زمینه ی برطرف کردن موانع فنی و اصولی استفاده از این مواد در کاربردهای بیولوژیکی ایجاد شده است.
فیلم های الماسی تولید شده با روش CVD یک ماده ی ایده آل برای سنسورها و چیپ های بیولوژیکی هستند. علت این موضوع، خواص مکانیکی، حرارتی، و شیمیایی بهتر این ماده نسبت به شیشه، سیلیکون و سطوح طلایی است. زیست سازگارپذیری فیلم های الماسی و ذرات با اندازه ی میکرونی با سلول های زنده نشان داده شده است. قرار دادن بیوملکول ها بر روی الماس برای تولید بیوچیپ های مجتمع و سنسورها نیازمند فرایند های فعال سازی سطحی مانند عملیات آماده سازی پلاسمایی، آمینیزاسیون و کربوکسیلاسیون، است. با استفاده از این فرایند ها، اتصال های کوالانسی بین این فیلم ها و DNA های اصلاح شده با فوسفات یا آمین ها، بوجود می آید. رسوب دهی الکتروشیمیایی لایه ی پلیمری تشکیل شده از پلی آنیلین/ پلی ایمیدین بر روی فیلم های الماسی دوپ شده با بور نیز اخیرا گزارش شده است. فیلم های نازک PANI/PAA به طور آزاد گروه های کربوکسیلیکی ایجاد می کند که دارای فعالیت شیمیایی بالایی است و بوسیله ی آن می توان آلیگونوکلئیدها را بر روی مکان های مورد نظر اتصال داد. اخیرا، Yang و همکارانش از روش های فوتوشیمیایی برای ایجاد لایه های هموژن گروه های آمینی بر روی فیلم های UNCD و نانوکریستالی، استفاده کرده اند. این گروها به عنوان مکان های اتصال دهی( برای اتصال DNA) مورد استفاده قرار می گیرند. با مقایسه ی فیلم های الماسی نانو کریستالی و التراکریستالی اصلاح شده با DNA با سایر سطوح متداول مورد استفاده برای اصلاح های بیولوژیکی( مانند کربن شیشه ای، سیلیکون و طلا)، Yang و همکارانش فهمیدند که الماس در بسیاری جهات بی همتاست. مثلا این ماده دارای قابلیت ایجاد ترکیبات با پایداری بالاست.
پوشش های الماسی نانو کریستالی که بر روی زیرلایه های مناسب ایجاد می شوند، مواد مطمئنی برای استفاده شدن در کاربردهای امپلنتی، جراحی های قلبی- عروقی و ایجاد پوشش بر روی دریچه های مصنوعی قلب، هستند. علت این موضوع خنثا بودن شیمیایی، نرمی سطحی، و چسبندگی مناسب این پوشش با زیر لایه می باشد.
نتیجه گیری
ذرات نانو الماسی دارای ساختارهای بسیار متنوعی در مقیاس نانو هستند. این ساختارها از کلاسترهای منفرد تا فیلم های با خلوص بالا، متغیر هستند. و می توان آنها را با استفاده از روش های مختلفی از جمله روش انفجاری، رسوب دهی شیمیایی از فاز بخار و کلریناسیون کاربیدها، تولید کرد. انواع مختلفی از نانو الماس ها در مراحل مختلف تجاری سازی هستند. تولید ذرات نانو الماسی برای کاربردهای پولیش کاری، بوسیله ی آسیاب کاری و خردایش ذرات انجام می شود. خلوص نانو الماس ها برای کاربردهای پولیش کاری، یک مسئله ی ضروری نمی باشد. بنابراین معیارهای کیفی کمتری در این بخش مهم می باشد. توسعه های اخیر در زمینه ی فیلم های UNCD با ویژگی های منحصربفرد در مراحل ابتدایی تجاری سازی است. فرایند تولید فیلم های UNCD با استفاده از فرآوری مشتقات کاربیدی به دلیل سادگی، منحصربفرد است و از این رو به سرعت در حال تجاری سازی است.
این مسئله جالب توجه است که قبل از اینکه نانو تکنولوژی متداول شود، یک تاریخچه ی طولانی از استفاده از UNCD در نواحی مختلف وجود دارد. این مواد در کامپوزیت های پلیمری، اجزای مورد استفاده در پولیش کاری و افزودنی های روانسازی مورد استفاده قرار گرفته اند.
در ابتدا UNCD ها در مقادیر توناژ تولید می شدند، به هر حال تولید UNCD های بدون ناخالصی به دلیل خاصیت ذاتی فرایند تولید آنها، بسیار مشکل است. به هر حال برای کاربردهای اشاره شده در بالا، نیاز به داشتن UNCD های با خلوص بسیار بالا نمی باشد. بسته به کاربرد، تکنولوژی های خالص سازی UNCD مورد استفاده قرار می گیرند. این را باید متذکر شویم که توسعه ی یک بینش در زمینه ی ارتباط میان ساختار پیچیده و ویژگی های فیزیکی این ماده، یکی از زمینه های تحقیقاتی فعال می باشد.
به عنوان نتیجه گیری باید گفت، الماس نانوکریستالی با تنوع ساختاری مختلف به سرعت توسعه یافته است. این توسعه هم در زمینه ی تحقیقات بنیادی و هم در زمینه ی کاربردهای این ماده، مشاهده می شود.
استفاده از مطالب این مقاله با ذکر منبع راسخون بلامانع می باشد.
ابتدا ویسکرهای الماسی منظم بوسیله ی روش پایین به بالا( با استفاده از روش اچ کردن پلاسمایی فیلم های الماسی پلی کریستال) تولید شدند از جمله این فیلم ها می توان به فیلم های الماس دارای مولیبدن اشاره کرد( شکل 1).
ساختارهای نانوالماسی دو بعدی
نانوصفحات الماسی تک کریستال اخیرا بر روی زیرلایه های الماسی پلی کریستال رشد داده شده اند. این زیرلایه ها پیش از رسوب دهی بوسیله ی یک فیلم 100 نانومتری از نیکل، پوشش دهی می شود. رسوب دهی در دمای ℃1000 و در یک رآکتور CVD پلاسمایی میکروویو با استفاده از مخلوط گازی متان/ هیدروژن انجام شده است. تصاویر میکروسکوپ الکترونی عبوری و روبشی آشکار کرده است که این نانو صفحات دارای اشکال منظم مثلثی و متوازی الاضلاع هستند که در آنها ضخامت در گستره ی 30 تا 70 نانومتر و طول آنها از چند صد نانومتر تا چند میکرون است( شکل 5). لبه های صفحات کوچک در طول جهات {110} قرار می گیرد. و صفحات بالایی و پایینی آنها با صفحات (111) موازی است. مورفولوژی صفحات کوچک این مسئله را نشان می دهد که آنها بوسیله ی رشد عرضی، تشکیل شده اند؛ اگر چه اثر نیکل بر روی تشکیل نانو صفحات الماسی مشخص نشده است. این نتایج، به همراه نتایج بدست آمده در زمینه ی رشد DNR، که در بالا مورد بررسی قرار گرفت، اثبات می کنند که سنتز نانو الماس های تک کریستالی با ابعاد مناسب، یک واقعیت است.
سه نوع از ساختارهای UNCD سه بعدی که هم اکنون به صورت تجاری در آمده است، عبارتند از فیلم های UNCD، کربن با ساختاری الماسی مشتق شده از کاربیدها و ذرات UNCD زینترشده ی بالک.
فیلم های UNCD با دانه های 2 تا 5 نانومتری در آزمایشگاه ملی آرگون، سنتز شده است. این فیلم ها با استفاده از روش رسوب دهی پلاسمایی جدید تولید شده اند که در آن، از مقدار قابل توجهی گاز نجیب استفاده می شود. فیلم های الماسی الترانانوکریستالی از بسیاری از جنبه ها از فیلم های الماسی میکروکریستالی، بهترند. در واقع بر خلاف این فیلم های الترانانوکریستالی جدید، فیلم های سنتی نرم، با دانسیته ی بالا، بدون پین حول، با خلوص فازی بالا هستند و می تواند بر روی گستره ی وسیعی از مواد اعمال شوند.
اخیرا، یک روش برای سنتز کربن الماسی بوسیله ی Gogotsi و همکارانش، توسعه یافته است. این روش بر اساس استخراج سیلیکون از کاربید سیلیکون یا کاربید فلزی در گازهای کلردار در فشار و دمای متعارف( دمایی کمتر از 1000℃) ابداع شده است. الماس های نانو کریستالی با اندازه ی کریستالی کمتر از 5 نانومتر بعد از استخراج سیلیکون یا فلز از کاربید، تولید می شود. در این روش ذرات الماس با اندازه ی 5 نانومتر در داخل زمینه ای آمورف تولید می شوند( این زمینه در طی کلرینه شدن TiC تشکیل می شود). یک ساختار آمورف از کربن/ نانو الماس اخیرا با استفاده از یک روش مشابه با روش آنیل کردن فیلم های کربنی دارای سیلیکون، تولید شده است. کربن و سیلیکون به طور همزمان از روی زیرلایه های کربنی آمورف (در دمای اتاق و خلا 〖10〗^(-4) Pa) تبخیر می شوند. دانه های نانو الماسی با اندازه ی 1.2 نانومتر در فیلم های کربنی دارای سیلیکون شناسایی شد. پس از مرحله ی رسوب دهی، فیلم ها در دمای 400 تا 800℃ تحت خلأ، عملیات حرارتی شدند. در این مرحله، دانه های الماس با اندازه ی 5 تا 50 نانومتر( بسته به دمای آنیل) رشد می کنند. رشد الماس و بتا سیلیسیم کاربید با تنظیم دمای حرارت دهی و درصد سیلیسیم مورد استفاده، قابل کنترل می باشند. این آشکار شده است که در این فرایند، نقش سیلیسیم به عنوان کاتالیزور می باشد. در این فرایند، در صورتی که به جای سیلیسیم از ژرمانیوم استفاده شود، نانو الماس تشکیل نمی شود.
یکی دیگر از شکل های بالک مورد توجه از نانو ذرات الماس، کامپوزیت های نانو الماسی است. این کامپوزیت ها شامل ذرات UNCD هستند که این ذرات به زمینه ی پیروکربنی متصل شده است. پودر UNCD در داخل یک محفظه ی دارای شکل معین قرار داده می شود و بوسیله ی پیروکربن تشکیل شده بوسیله ی تجزیه ی متان، پیوند ایجاد می شود. این ماده دارای 50 تا 70 % تخلخل است و دارای مدول یانگ نسبتا بالایی می باشد( 30 GPa). اندازه ی تخلخل های ایجاد شده در این ماده از 20 تا 30 نانومتر بزرگتر نمی باشند و شعاع متوسط آنها 4.5 نانومتر است. داشتن تخلخل بالا، موجب می شود تا ماده دارای فعالیت جذبی بالایی باشد. این مسئله مخصوصا برای بیومولکول های بزرگتر، بیشتر به چشم می آید. تولید این ماده در کارخانه ی Skeleton Technologies( یک کارخانه ی سوئیسی) انجام شده است.
به طور خلاصه باید گفت که روش های جدیدی از سنتز نانو الماس در چند سال اخیر توسعه یافته است.
ذرات الترانانو کریستالی الماس( تولید شده به روش انفجار احتراقی)
سنتز و ویژگی ها
در روش استفاده از انرژی ایجاد شده از انفجار برای تولید الماس، خوشه های الماس از اتم های کربنی تشکیل می شوند که به خودی خود دارای مولکول های آتش گیر هستند. بنابراین در این روش تنها مواد آتش گیر مورد استفاده قرار می گیرد. گستره ی وسیعی از مواد آتش گیر می تواند در این روش سنتز مورد استفاده قرار گیرد. مخلوط انفجاری، معمولا یک مخلوط از TNT( 2 متیل 1، 3، 5 تری نیتروبنزن) و هگزون( با نسبت 60 به 40) می باشد که از کربن، نیتروژن، اکسیژن و هیدروژن تشکیل شده است. در این مخلوط بالانس اکسیژن منفی است و از این رو کربن اضافی در سیستم وجود دارد. بالانس منفی اکسیژن در این سیستم یک وضعیت مهم برای تشکیل UNCD است. انفجار در محیط غیر اکسیدی ( شکل 6) از گازهای دیگر، انجام می شود. این محیط می تواند تر یا خشک باشد. محیط مورد استفاده در این روش سنتز به عنوان بخش مبرد عمل می کند. برای جلوگیری از تشکیل UNCD در موج انفجاری( به دلیل وقوع استحاله ی گرافیت در دمای بالا)، سرعت سرمایش محصولات واکنش دهنده باید کمتر از 3000 کلوین بر دقیقه باشد. شک اولیه ی ایجاد شده از ماده ی منفجره باعث می شود تا فشار بالایی از مواد انفجاری ایجاد شده و با افزایش حرارت در این مخلوط انفجاری، تجزیه ی ترکیبات نیز رخ می دهد. این مسئله موجب می شود تا مقادیر بالایی انرژی در یک میکرو ثانیه ایجاد شود( شکل 6). همین طور که موج انفجار گسترش می یابد، دمای بالا( در گستره ی 3000 تا 4000 کلوین) و فشار بالایی( در گستره ی 20 تا 30 گیگا پاسکال) ایجاد می شود که این گستره از دما و فشار در گستره ی ناحیه ی پایداری الماس است( شکل 7). در طی انفجار، کربن آزاد به صورت کلاسترهایی تشکیل می شود و با استفاده از فرایند نفوذ، بزرگ می شود. محصول سنتز انفجاری، دوده یا مخلوط الماسی نامیده می شود. این مخلوط شامل 40 تا 80 درصد وزنی فاز الماسی است( بسته به شرایط انفجار).
علاوه بر UNCD، مخلوط الماسی دارای ساختاری شبه الماسی( 35 تا 45 % وزنی) است و دارای ناخالصی های غیر قابل سوختن است( مثلا فلزات و اکسیدهای آنها( 1 تا 5 %)). با استفاده از تفرق اشعه ی X و تفرق اشعه ی x را زاویه ی کوچک، نشان داده شده است که کلاسترهای UNCD در دوده انفجاری دارای ساختاری پیچیده است. در این ساختار یک هسته ی الماسی با اندازه ی تقریبی 4.3 نانومتر و یک پوسته ی کربنی با پیوند sp2 وجود دارد.
خالص سازی UNCD بوسیله ی روش شیمیایی و مکانیکی، انجام می شود. بعد از زدایش مکانیکی مخلوط های بدست آمده از فرایند، پودر کربن- الماس در اسید نیتریک، تحت عملیات اکسیداسیون قرار گرفته و بدین وسیله فاز الماس آنها جداسازی می شود. در این روش، فلزات حل می شوند و کربن نانو الماسی به طور همزمان، اکسید می شوند. بعد از تمام شدن این مرحله، الماس تولیدی بوسیله ی آب شستشو می شود. بعد از خالص سازی، پودر UNCD می تواند به عنوان یک کامپوزیت مورد استفاده قرار گیرد. عموما روش خالص سازی UNCD و خلوص UNCD از محصولی به محصول دیگر، متفاوت است.
مقدار ناخالصی نانو الماس تولید شده با روش سنتز انفجاری در مقایسه با سایرروش های تولید الماس مصنوعی، بیشتر است. محصولات تجاری تولید شده با این روش، دارای گرید هایی از جمله ی سوسپانسیون های الماسی و پودرهای بدست آمده از سوسپانسیون می باشد. این پودر از خشک کردن سوسپانسیون الماس تولید می شود. عموما، تولید UNCD شامل سنتز انفجاری، خالص سازی شیمیایی و شستشوی اسیدی UNCD است. این فرایند ها موجب بهبود و اصلاح الماس می شود.
ویژگی های ذرات UNCD عمدتا عمدتا بوسیله ی اندازه ی نانومتری آنها تعریف می شود. این اندازه، اندازه ی مشخصه در تبدیل جامدات ماکروکولکولی به جامدات کریستالی است. نیمی از تمام اتم ها در این چنین ذرات، در سطح واقع شده اند و بنابراین با اتم ها، اتم ها و گروه های جذب شده، واکنش می دهد. این اتم های جذب شده که ممکن است از تعداد اتم موجود در ذرات الماسی، بیشتر باشند، می تواند به طور مؤثر بر روی ویژگی های فیزیکی و شیمیایی ذرات اثر بگذارند. گروه های عاملی مختلفی می تواند به سطح الماس متصل شوند. این گروه ها را می توان از سطح ذرات شناسایی نمود( شکل 8). برای به حداقل رساندن انرژی سطحی، ذرات UNCD با اندازه ی تقریبی 4 نانومتر کلاسترهای بزرگی را تشکیل می دهند. این کلاسترها دارای اندازه ی 20 تا 30 نانومتر هستند و این کلاسترها نیز آگلومره های بزرگی را تشکیل می دهند. گاهی اوقات اندازه ی این آگلومره ها بزرگ تر از چند صد نانو متر است).
ویژگی های سطحی و الکترونی ذرات الماس نانومتری بوسیله ی اسپکتروسکوپی فوتوالکترونی( XPS) و اسپکتروسکوپی فوتوالکترونی UV( UPS) مورد بررسی قرارگرفته است. در این آزمایشات، نانو الماس بر روی زیرلایه های سیلیکونی بوسیله ی روش الکتروفورتیک رسوب دهی شده است. با توجه به آنالیز XPS، پودر UNCD دارای ناخالصی قابل توجهی( به جز نیتروژن) نیست. مقدار این ناخالصی نیتروژن، در حدود 1 تا 2 % است. فیلم UNCD تولید شده از پودر، دارای پیک اکسیژن قوی است. بعد از عملیات حرارتی این فیلم بوسیله ی پلاسمای میکروویو هیدروژنی و انتقال نمونه به سیستم XPS، مقدار اکسیژن این فیلم صفر می شود.
کاربردهای ذرات الماسی الترا نانو کریستالی
کاربردهای ذرات UNCD تولید شده با روش انفجاری می تواند به دو نوع سنتی و جدید تقسیم بندی شود. نوع سنتی آنهایی هستند که دو دهه ی قبل مورد استفاده قرار می گرفتند. نوع جدید، آنهایی هستند که در سال های اخیر بر پایه ی نانوتکنولوژی پیشرفته ابداع شده اند. از بین کاربردها، کاربردهای بیولوژیکی باید به طور مجزا در نظر گرفته شود. علت این موضوع این است که این کاربردها، بسیار خاص هستند.
کاربردهای ذرات UNCD تکنولوژیک عبارتست از پوشش های گالوانیک فلزی، خمیرها و سوسپانسیون های پولیش کاری، کامپوزیت های پلیمری، روغن های روان ساز، گریس ها، و مواد سردکننده ی روان ساز هستند.
رسوب دهی الکتروشیمیایی UNCD با فلزات، در بسیاری از کاربردها مانند پوشش های مورد استفاده در واحدهای انتقال، ابزارهای مورد استفاده در الکترونیک، مهندسی الکترونیک، پزشکی، صنعت ساعت و جواهرسازی مورد استفاده قرار می گیرند. مزیت های افزودن UNCD به پوشش های گالوانیکی، عبارت است از افزایش مقاومت به سایش( به میزان 2 تا 13 برابر)، میکروسختی( به میزان دو برابر)، افزایش مقاومت به خوردگی( 2 تا 6 برابر)، کاهش تخلخل، کاهش قابل توجه ضریب اصطکاک، بهبود قابل توجه چسبندگی و پیوستگی و توان پرتاپ بالای الکترولیت. با توجه به کارهای انجام شده، این فهمیده شده است که عمر محصولاتی که در آنها از این ماده استفاده شده است، دو تا 10 برابر افزایش پیدا می کند. این مسئله حتی در زمانی که ضخامت پوشش 2 تا 3 برابر کاهش می یابد، نیز مشاهده می شود. اثر استحکام بخشی این پوشش ها در بسیاری از زیرلایه های فلزی مانند نقره، طلا و پلاتین مشاهده شده است و از این ویژگی در کاربردهای الکترونیکی زیادی استفاده شده است. مخصوصا UNCD به طور گسترده در استحکام بخشی پوشش های کروم رسوب داده شده با فرایند الکترولیتی، مورد استفاده قرار می گیرد. در این فرایند، افزودنی های دارای UNCD بدون هیچ اصلاحی در فرایند تولید، به الکترولیت رسوب دهی لایه ی کروم، اضافه می شود. یک چنین پوششی، عمر مفید قالب ها را افزایش می دهد و علاوه بر آن، بوسیله ی این روش، سطوح یاتاقانی با دقت بالا تولید می شود. مقدار UNCD در پوشش فلزی تقریبا 0.3 تا 0.5 % وزنی می باشد. مقدار UNCD مورد استفاده برای یک لایه ی فلزی با ضخامت 1 میلیمتر، برابر 0.2 گرم است.
ذرات UNCD برای پولیش کاری دقیق مواد مورد استفاده در الکترونیک، مهندسی بی سیم، اپتیک، پزشکی و صنایع جواهرآلات مورد استفاده قرار می گیرد. کامپوزیت های دارای UNCD به ما اجازه می دهد تا سطوحی با هندسه ی پیچیده، تولید کنیم که در آنها ارتفاع زبری در حدود 2 تا 8 نانومتر است. اخیرا، زبری 4 آنگسترم با استفاده از پولیش کاری با آلومینا، سیلیسیم کاربید و سوسپانسیون های UNCD گزارش شده است. UNCD در پولیش کاری اجزای مورد استفاده در فرآوری ویفرهای سیلیکونی در صنعت میکروالکترونیک مورد استفاده قرار می گیرد. UNCD همچنین در صنعت الکترونیک، به عنوان خمیرهای انتقال دهنده ی حرارت و اجزای مورد استفاده در پک های الکترونیکی مورد استفاده قرار می گیرد. این مواد جایگزین اکسید برلیومی شد که به صورت سنتی مورد استفاده قرار می گرفت. مقدار UNCD مرو داستفادهل در این کاربرد، در حدود 1 تا 10 گرم بر متر مربع است.
افزودن UNCD به پلیمرها، موجب افزایش استحکام مکانیکی، مقاومت در برابر سایش، و مقاومت در برابر پیرشدگی حرارتی آنها می شود. با توجه به مطالعات انجام شده، این فهمیده شده است که پوشش های با میزان تأثیر بالای می تواند بر پایه ی افزودن UNCD به الاستومرهای فلئوری و پلی سیلوکسان، تولید شود. با استفاده از این افزودنی ها، می توان استحکام رابرهایی مانند پلی ایزوپرن، بوتادین، استیرن، بوتادین نیتریل و رابرهای طبیعی افزایش یافته است. برای مثال، برای الاستومرهای فلئوری استحکام یافته بوسیله ی UNCD، مدول کششی در ازدیاد طول 100 % و استحکام گسستگی مقید بیش از 10 برابر افزایش می یابد. در این مورد، ازدیاد طول به میزان 1.6 برابر افزایش می یابد. یک افزایش در اتصالات عرضی، یکی از مکانیزم هایی است که به واسطه ی استفاده از UNCD در این مواد، ایجاد می شود. افزودن UNCD به رابرها، مقاومت به سایش اصطکاکی را به میزان 3 تا 5 برابر افزایش می دهد. این استفاده و استحکام گسستگی را به میزان 30 %، دمای شکست را به میزان 15 % افزایش می دهد. چسب های اپوکسی که در آنها از UNCD استفاده شده است، دارای ویژگی ها و خواص چسبندگی قابل توجهی هستند. مصرف خاص UNCD و مخلوط های الماسی 1 تا 5 کیلوگرم بر هر 1000 کیلوگرم رابر می باشد. این مقدار برای پوشش ها و فیلم ها در حدود 1 تا 5 کیلوگرم بر 1000 متر مربع پلیمر است.
افزودن UNCD و مخلوط های الماسی به روغن به ما اجازه می دهد تا سیستم های پایدار و و دوستار محیط زیستی، تولید کنیم. در این سیستم ها، اندازه ی ذرات در حدود 0.5 میکرون است. با توجه به کارهای انجام شده در این زمینه، استفاده از نانو الماس در روغن ها عمر مفید موتور و سیستم های انتقال نیرو را افزایش می دهد و گشتاور اصطکاکی را به میزان 20 تا 40 % کاهش می دهد. استفاده از این ماده در روغن همچنین سایش را در سطوحی که تحت سایش قرار می گیرند را به میزان 30 تا 40 % کاهش می دهد. ذرات UNCD برای افزایش رسانایی حرارتی روغن های دی الکتریک مورد استفاده قرار می گیرد. این نشان داده شده است که پراکنده شدن نانو الماس( به میزان تقریبی 1 %) در روغن( کلاس XO) می تواند رسانایی گرمایی کلی روغن های خنک کننده ی مورد استفادله در سیستم های انتقال توان را به میزان 25 % کاهش می دهد. مصرف ویژه ی نانو الماس یا مخلوط های الماسی در روغن حدودا 0.01 تا 0.02 کیلوگرم بر 1000 کیلوگرم روغن است. کاربردهای جدید UNCD که اخیرا توسعه یافته است، در زمینه ی سیستم های مغناطیسی ثبت داده، جاذب های جدید، اجزای تولید شده از الماس و قالب های تولید شده از مواد دارای الماس، پوشش های مورد استفاده در وسایل انتشار امواج، در کاتالیست های الکتروشیمیایی و غیر هموژن و غشاء های نانو کامپوزیتی مورد استفاده در کاربردهای پیل سوختی است. UNCD ها همچنین به عنوان جوانه زا در فرایند رشد فیلم های الماسی مورد استفاده قرار می گیرد. UNCD های خشک به عنوان جاذب رطوبت معروف هستند.
در سیستم های مغناطیسی ثبت داده، UNCD ها به عنوان افزودنی های ضد سایش و به عنوان اصلاح کننده های فیزیکی در پوشش های فرو- لاسکوار مورد استفاده در نوارها و دیسک های مغناطیسی، مورد استفاده قرار می گیرد. استفاده از این ماده در نوارهای مغناطیسی ثبت داده، می تواند ویژگی های ثبت داده را در این مواد بهبود دهد. در واقع افزودن UNCD می تواند اندازه ی دانه های مغناطیسی را کاهش دهد بنابراین اجازه می دهد تا دانسیه ی ثبت داده افزایش یابد( در حالی که ضرایب اصطکاک و سایش کاهش می یابد).
جاذب های دارای کربن به طور گسترده در صنایع مختلفی مانند پزشکی و فارماکولوژی مورد استفاده قرار می گیرد. بیشتر این مواد، کربن بلک و زغال چوب فعال می باشد. الماس مصنوعی مخصوصا آن دسته از الماس های مصنوعی مورد استفاده در کامپوزیت ها یک گروه جدید از جاذب های دارای کربن هستند. این مواد علاوه بر استحکام بالا، دارای خنثایی شیمیایی خوبی هستند. یکی دیگر از مزیت های این جاذب ها، امکان استفاده ی مجدد از این جاذب هاست.
یکی دیگر از کاربردهای مورد علاقه از نانو الماس، استفاده از این مواد به عنوان منابع نوری است که توانایی انتشار فوتون های منفرد را در زمان مورد نیاز، دارند. در حالی که ذرات نانو الماس مورد استفاده در این کاربرد از روش انفجاری تولید شده است، این مسئله باعث نشده تا از استفاده از نانو الماس های تولیدی با روش های دیگر در این کاربرد، جلوگیری شود. این پیشنهاد شده است که ویژگی های کوانتمی نور انتشار یافته بوسیله ی نانو کریستال های الماسی تنها از مرکز رنگی ایجاد شده بوسیله جاهای خالی نیتروژن، بوجود آمده است. اندازه ی مشخصه ی ذرات الماس مورد استفاده در این آزمایشات، در حدود 40 نانومتر است. با توجه به گفته ی انجام دهندگان این آزمایشات، چند ویژگی نوری مهم برای نانو کریستال های الماس وجود دارد که این ویژگی ها به منظور استفاده از آنها به عنوان منابع نوری فوتون منفرد، مفید می باشد. یکی از این ویژگی ها این است که اندازه ی کوچک طول موج این نانو کریستال ها نامربوط بودن انکسار این نانو کریستال ها را منتقل می کند. یک نانوکریستال می تواند به عنوان یک منبع نوری نقطه ای مورد استفاده قرار گیرد. دومین ویژگی این است که حجم بسیار کوچک الماس تهیج یافته موجب می شود تا نورهای پس زمینه اندکی ایجاد شود. این مسئله برای منابع تک فوتونه مهم می باشد.
به طور خلاصه باید گفت که شواهدی اندک در زمینه ی استفاده از نانو الماس در کاربردهای تجاری، وجود دارد. علت این موضوع بیشتر هزینه ی بالای تولید این مواد است. تولید این الماس ها نیازمند زیرساخت های گسترده ای است.
فیلم های الترا نانوکریستالی الماسی تولید شده با روش رسوب دهی شیمیایی از فاز بخار
فیلم های الماسی الترانانو کریستالی با دانه های 2 تا 5 نانومتری( با و بدون H ) اخیرا در لابراتوآر ملی آرگون در آمریکا، تولید شده است. این فیلم ها با استفاده از روش رسوب دهی شیمیایی از فاز بخار تولید می شوند. فیلم های نازک UNCD با استفاده از پلاسمای غنی از آرگون تولید شده است( به جای استفاده از پلاسمای غنی از هیدروژن). با تنظیم ویژگی های گاز نجیب مانند نسبت هیدروژن در مخلوط گازی، یک استحاله ی از میکرو به نانو کریستال رخ می دهد. این استحاله ی کنترل شده و مداوم از مقیاس میکرو به نانو، یکی از ویژگی های منحصر بفرد این روش است.
استفاده از مقادیر اندک از گازهای دارای کربن( مانند فلرن و ... ) به همراه آرگون، منجر به تشکیل دیمرهای
می شود. این گونه در تمام فیلم های نازک UNCD تولید می شود. نانو کریستالیتی نتیجه ای از یک مکانیزم جوانه زنی و رشد جدید است. در این مکانیزم، پیوندهای پای ایجاد شده بوسیله ی موجب می شود تا صفحات (100) الماس دوباره ساخته شوند. سپس اتم های کربن بدون اتصال، با مولکول های موجود در فاز گازی، واکنش می دهند و کریستالیت های جدیدی از الماس را ایجاد می کنند.الکترودهای الترانانو کریستالی الماسی دارای کاربردهای بالقوه ای هستند. این الکترودها دارای جریان زمینه ای اندکی هستند و دارای فعالیت الکتروشیمیایی بالایی هستند. از این رو می توان از آنها در سیستم های اکسایش- کاهش استفاده کرد. این نتایج به همراه زیست سازگارپذیری آن می تواند منجر به ایجاد کاربردهای جدید الکترودهای UNCD برای شبیه سازی های بخش های پیچیده شود.
UNCD دارای کاربردهای فراوانی هستند. این کاربردها عبارتند از سیستم های میکرو الکترو مکانیکی( MEMS) و آرایه های مکانیکی متحرک( MMA)، وسایل موج اکوستیکی سطحی، بیوسنسورها و سنسورهای الکتروشیمیایی، پوشش های مورد استفاده در آرایه های انتشار میدانی، سوییچ های فرکانس رادیویی و فوتونیک، و پروتزهای خنثی می باشند.
کاربردهای بیولوژیک و پزشکی نانو الماس
این به نظر می رسد که تمام شکل های اصلی کربن در مقیاس نانو( مانند فلرن ها، نانوتیوب ها و نانو الماس( هم به صورت ذره ای و هم به صورت فیلم مانند)) منابعی با ارزش برای کاربردهای بیولوژیکی محسوب می شوند. در میانه ی دهه ی 1990، این نشان داده شد که ترکیبات فلرن دارای فعالیت بیولوژیکی به طور بالقوه می توان از آنها در محصولات درمانی استفاده کرد. به عنوان یک نتیجه، شرکت C Sixty ( یک شرکت دارویی خصوصی) به همین منظور تأسیس شد. تمرکز اولیه ی این شرکت بر روی کشف و توسعه ی گروه جدیدی از مواد دارویی بر پایه ی فلرن بود. فلرن(
) دارای اندازه ای مشابه با هرمون های استرویید یا آلفا هلیک های پپتیدی است و بنابراین ترکیبات فلرنی، مولکول های مناسبی برای برقراری اتصال با آنزیم ها و گیرنده ها هستند. در چند سال اخیر، یک تعداد از کاربردهای بر پایه ی فلرن گزارش شده است. این کاربردها شامل مواد درمانی مانند عوامل ضد ویروسی و داروهای ضد سرطان، سنسورهای برای کاربردهای تشخیصی، عوامل محافظت کننده در برابر تنش اکسیداسیونی القا شده بوسیله ی آهن و عوامل ضد باکتری در بافت زنده می باشد. فلرن ها همچنین در آرایه های بر پایه ی DNA نیز کاربرد دارند.بررسی ها در زمینه ی استفاده از تیوب های باکی بال در کاربردهای پزشکی نیز در حال انجام می باشد. نانوتیوب های چند دیواره ای برای بی حرکت کردن پروتئین ها، آنزیم ها و آلیگونوکلئیدها مورد استفاده قرار می گیرند. پیشرفت های زیادی در سال های اخیر در زمینه ی برطرف کردن موانع فنی و اصولی استفاده از این مواد در کاربردهای بیولوژیکی ایجاد شده است.
فیلم های الماسی تولید شده با روش CVD یک ماده ی ایده آل برای سنسورها و چیپ های بیولوژیکی هستند. علت این موضوع، خواص مکانیکی، حرارتی، و شیمیایی بهتر این ماده نسبت به شیشه، سیلیکون و سطوح طلایی است. زیست سازگارپذیری فیلم های الماسی و ذرات با اندازه ی میکرونی با سلول های زنده نشان داده شده است. قرار دادن بیوملکول ها بر روی الماس برای تولید بیوچیپ های مجتمع و سنسورها نیازمند فرایند های فعال سازی سطحی مانند عملیات آماده سازی پلاسمایی، آمینیزاسیون و کربوکسیلاسیون، است. با استفاده از این فرایند ها، اتصال های کوالانسی بین این فیلم ها و DNA های اصلاح شده با فوسفات یا آمین ها، بوجود می آید. رسوب دهی الکتروشیمیایی لایه ی پلیمری تشکیل شده از پلی آنیلین/ پلی ایمیدین بر روی فیلم های الماسی دوپ شده با بور نیز اخیرا گزارش شده است. فیلم های نازک PANI/PAA به طور آزاد گروه های کربوکسیلیکی ایجاد می کند که دارای فعالیت شیمیایی بالایی است و بوسیله ی آن می توان آلیگونوکلئیدها را بر روی مکان های مورد نظر اتصال داد. اخیرا، Yang و همکارانش از روش های فوتوشیمیایی برای ایجاد لایه های هموژن گروه های آمینی بر روی فیلم های UNCD و نانوکریستالی، استفاده کرده اند. این گروها به عنوان مکان های اتصال دهی( برای اتصال DNA) مورد استفاده قرار می گیرند. با مقایسه ی فیلم های الماسی نانو کریستالی و التراکریستالی اصلاح شده با DNA با سایر سطوح متداول مورد استفاده برای اصلاح های بیولوژیکی( مانند کربن شیشه ای، سیلیکون و طلا)، Yang و همکارانش فهمیدند که الماس در بسیاری جهات بی همتاست. مثلا این ماده دارای قابلیت ایجاد ترکیبات با پایداری بالاست.
پوشش های الماسی نانو کریستالی که بر روی زیرلایه های مناسب ایجاد می شوند، مواد مطمئنی برای استفاده شدن در کاربردهای امپلنتی، جراحی های قلبی- عروقی و ایجاد پوشش بر روی دریچه های مصنوعی قلب، هستند. علت این موضوع خنثا بودن شیمیایی، نرمی سطحی، و چسبندگی مناسب این پوشش با زیر لایه می باشد.
نتیجه گیری
ذرات نانو الماسی دارای ساختارهای بسیار متنوعی در مقیاس نانو هستند. این ساختارها از کلاسترهای منفرد تا فیلم های با خلوص بالا، متغیر هستند. و می توان آنها را با استفاده از روش های مختلفی از جمله روش انفجاری، رسوب دهی شیمیایی از فاز بخار و کلریناسیون کاربیدها، تولید کرد. انواع مختلفی از نانو الماس ها در مراحل مختلف تجاری سازی هستند. تولید ذرات نانو الماسی برای کاربردهای پولیش کاری، بوسیله ی آسیاب کاری و خردایش ذرات انجام می شود. خلوص نانو الماس ها برای کاربردهای پولیش کاری، یک مسئله ی ضروری نمی باشد. بنابراین معیارهای کیفی کمتری در این بخش مهم می باشد. توسعه های اخیر در زمینه ی فیلم های UNCD با ویژگی های منحصربفرد در مراحل ابتدایی تجاری سازی است. فرایند تولید فیلم های UNCD با استفاده از فرآوری مشتقات کاربیدی به دلیل سادگی، منحصربفرد است و از این رو به سرعت در حال تجاری سازی است.
این مسئله جالب توجه است که قبل از اینکه نانو تکنولوژی متداول شود، یک تاریخچه ی طولانی از استفاده از UNCD در نواحی مختلف وجود دارد. این مواد در کامپوزیت های پلیمری، اجزای مورد استفاده در پولیش کاری و افزودنی های روانسازی مورد استفاده قرار گرفته اند.
در ابتدا UNCD ها در مقادیر توناژ تولید می شدند، به هر حال تولید UNCD های بدون ناخالصی به دلیل خاصیت ذاتی فرایند تولید آنها، بسیار مشکل است. به هر حال برای کاربردهای اشاره شده در بالا، نیاز به داشتن UNCD های با خلوص بسیار بالا نمی باشد. بسته به کاربرد، تکنولوژی های خالص سازی UNCD مورد استفاده قرار می گیرند. این را باید متذکر شویم که توسعه ی یک بینش در زمینه ی ارتباط میان ساختار پیچیده و ویژگی های فیزیکی این ماده، یکی از زمینه های تحقیقاتی فعال می باشد.
به عنوان نتیجه گیری باید گفت، الماس نانوکریستالی با تنوع ساختاری مختلف به سرعت توسعه یافته است. این توسعه هم در زمینه ی تحقیقات بنیادی و هم در زمینه ی کاربردهای این ماده، مشاهده می شود.
استفاده از مطالب این مقاله با ذکر منبع راسخون بلامانع می باشد.
/ج
