Завод «Пластмасс» – один из ведущих в стране производителей современной промышленной взрывчатки. В том числе на предприятии научились получать уникальный продукт – наноалмазную шихту. Спрос на нее растет во всем мире, ведь наноалмазы находят широкое применение в различных областях: от квантовой электроники до медицины.
Что такое наноалмазы, как их открыли, где применяют сегодня – читайте в нашем материале.
Очень «нано»: для биомедицины и квантовой электроники
По своему химическому составу и строению наноалмаз – тот же самый алмаз. Все те же атомы углерода, упакованные в «кубическую» кристаллическую решетку. Как видно по приставке «нано», такие алмазы очень маленькие по размеру. Напомним, что нанометр – это одна миллиардная часть метра. Теперь вы можете представить частичку размером всего 4-6 нм – примерно такой диаметр наноалмазов. Применить их в ювелирном деле невозможно не только из-за размера – наноалмаз представляет собой невзрачный порошок серого цвета. Зачем же вместо больших и красивых камней выращивать синтетические алмазы, которые даже не разглядеть?
Чтобы ответить на этот вопрос, нужно вернуться к строению алмаза. Как уже упоминалось выше, ячейка структуры алмаза имеет форму куба. Если выразиться по-научному, то алмаз кристаллизуется в «сингонии». Это самая плотная упаковка атомов, отсюда и невероятная прочность, которой славятся алмазы. Итак, в алмазе каждый атом окружен четырьмя атомами, каждый из которых – еще четырьмя и так далее. По такой логике понятно, что крайние атомы на поверхности останутся без окружения – по-научному это «нескомпенсированные валентности». Такие «одинокие» атомы углерода могут связаться с другими атомами – водородом, кислородом. В результате на поверхности собираются некие группировки атомов – функциональные группы.
Источник: Химический факультет Московского Государственного Университета
Таким образом, каждый наноалмаз можно модифицировать – «пришить» к его поверхности различные молекулы. Эта способность в настоящее время используется в различных медицинских исследованиях, особенно когда речь идет об «адресной доставке» лекарств в организме. Например, наноалмазы могут стать отличным «транспортом» для антибиотиков и доставить их точно по адресу. Размер такой частицы диаметром всего пять нанометров позволяет ей спокойно проходить через мембрану клеток, поэтому можно доставить лекарства даже в отдельные органеллы клетки.
Вторая большая область применения – квантовая электроника и оптика. Для создания квантовых компьютеров очень важен однофотонный эмиттер, который излучает строго один фотон, то есть один квант света. Большинство современных однофотонных эмиттеров – это различные красители, работающие только при очень низкой температуре, что не очень удобно. Оказалось, что наноалмазы могут стать очень хорошими однофотонными эмиттерами даже при комнатной температуре.
Резюмируя, можно сказать, что наноалмазам точно найдется место в XXI веке – они могут использоваться сегодня в различных сферах, начиная биомедициной и заканчивая квантовой электроникой. Однако история этих маленьких алмазов началась еще в прошлом столетии и на протяжении многих лет наноалмазы «трудились» в промышленности – использовались для оксидирования алюминия и его сплавов, в производстве смазочных масел, микроабразивных и полировальных составов, полимерных композиций, резин и т.д.
Взрывная технология: из истории открытия наноалмазов
На сегодняшний день известны несколько методов синтеза наноалмазов. Например, самый простой и явный – получить из природных алмазов. Однако, наиболее широко используется детонационный метод, поэтому иногда наноалмазы называют детонационными алмазами. Принцип прост – если в специальной камере взорвать тротил или гексоген, то в газе при взрыве образуется большое количество углерода и в саже можно найти алмазные частички. Конечно, все не так просто и одного взрыва недостаточно.
Считается, что первооткрывателями данного метода были советские ученые. Причем история эта уникальна, поскольку в СССР синтез наноалмазов открывался трижды. В 1960-1980 годы в стране сложился своеобразный «алмазный клуб» научно-исследовательских институтов. Одним из главных участников стал Всесоюзный научно-исследовательский институт технической физики (ВНИИТФ), где разрабатывались ядерные боеприпасы. Именно здесь в июле 1963 года был впервые произведен детонационный синтез наноалмазов.
Наноалмазы. Фото: D. Mukherjee / wikimedia.org
Еще в самом начале 1960-х годов ученые пришли к выводу, что если поднять температуру и давление, то можно получить алмаз из графита, или из сажи. Напомним, что графит, который всем знаком по грифелям карандашей, тот же самый углерод, только немного в другой форме. Конечно, одним нагревание грифель карандаша не превратить в драгоценный камень – вещество важно и сильно сжать.
Специалисты ВНИИТФ в первую очередь занимались разработкой оружия. В частности, проводились эксперименты со взрывами тротила и гексогена в замкнутом объеме, то есть в металлическом шаре или цилиндре. Оказалось, что, если очень быстро охладить взрываемый объект, а затем полученную сажу обработать азотной кислотой, которая постепенно растворит графитоподобный углерод, то останутся алмазные зернышки размером в несколько нанометров.
Детонационный синтез наноалмазов оказался процессом очень быстрым по сравнению с долгим выращиванием кристаллов под давлением. Но в 1960-х применения таким маленьким алмазам не нашлось, работы постепенно были закрыты. Вернулись к этой тематике только в начале 1980-х годов. Тогда синтез наноалмазов был налажен сразу в нескольких научных центрах страны, а спустя десять лет началось опытно-промышленное производство. На двух предприятиях производили примерно 50 килограммов очищенных наноалмазов в месяц.
Алмазы на «Пластмассе»
Завод «Пластмасс» из города Копейска Челябинской области специализируется на производстве боеприпасов к корабельным орудиям, танковым и артиллерийским пушкам и некоторым видам авиаснарядов. При этом на протяжении многих лет предприятие развивает направление по утилизации боеприпасов – их количество достигало 100 тыс. единиц в год. Снаряд разбирается, взрывчатые вещества и порох отправляются на изготовление промышленной взрывчатки, остается также стальной лом, цветные металлы, такие, как медь и свинец и их сплавы.
Наноалмазная шихта. Фото: Завод «Пластмасс»
Специалисты предприятия освоили использование взрывчатки из старых боеприпасов и для детонационного синтеза наноалмазов. На заводе работают три взрывные камеры из высокопрочной стали. Наноалмазную шихту здесь получают методом подрыва в ледяных оболочках – заряд погружают в ледяную оболочку, а затем размещают в полости взрывной камеры. После взрыва получается шихта – влажная масса, с виду обычная грязь, которая затем разделяется и осушается. Выход конечного продукта – наноалмаза – из такой шихты составляет 8-10% массы взорванного заряда. Таким образом практически из ничего – вторсырья, подлежащего уничтожению – рождаются драгоценные наноалмазы.
