從材料形態(tài)和質(zhì)量上看，金剛石需要經(jīng)歷低品質(zhì)的微粉，到高品質(zhì)、完美結(jié)構(gòu)的納米尺寸和寶石級(jí)尺寸，單晶和多晶共同發(fā)展，最后還有各種摻雜以滿足功能性需求，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)朝著微觀和宏觀雙向發(fā)展，最終實(shí)現(xiàn)功能化。目前納米金剛石的可控制備，功能化改性及應(yīng)用就是一個(gè)熱點(diǎn)，今天惠豐鉆石給大家聊一聊納米金剛石的應(yīng)用。
納米金剛石簡(jiǎn)介
納米金剛石TEM照片及溶液
納米金剛石指的是粒徑在1~100nm的金剛石晶粒存在形態(tài)，其兼有金剛石、納米材料的特性，例如高硬度、高耐腐蝕性、高熱導(dǎo)率、低摩擦系數(shù)、低表面粗糙度、大的比表面積、生物相容性、高的表面活性等，具體如下。物質(zhì)進(jìn)入納米尺度后表現(xiàn)出了一些宏觀物質(zhì)不具備或在宏觀物質(zhì)中可忽略的物理效應(yīng)，如表面效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)、宏觀量子隧道效應(yīng)等。
納米金剛石的典型特點(diǎn)
根據(jù)其存在形式，納米金剛石可以分為單分散的納米金剛石粒子和納米金剛石多晶兩類。納米金剛石粒子可以看作由塊材金剛石切割出的納米尺寸的金剛石團(tuán)簇；納米金剛石聚晶分為聚晶顆粒和膜兩種存在形式。
從空間尺度分類，納米金剛石分為納米金剛石膜、一維金剛石納米棒和二維金剛石納米片，三維納米金剛石聚晶顆粒以及零維納米金剛石單晶顆粒。
納米金剛石顆粒的合成方法主要有靜壓合成、金剛石單晶粉磨、爆轟法三種，都已應(yīng)用于工業(yè)化生產(chǎn)。
爆轟法合成納米金剛石生產(chǎn)效率相對(duì)較高，其原理是通過(guò)爆炸時(shí)產(chǎn)生的高溫高壓將爆炸體系的碳元素轉(zhuǎn)變?yōu)榻饎偸?。用該方法制備得到熱力學(xué)穩(wěn)定的含納米金剛石的黑粉。黑粉經(jīng)特殊工藝處理后得灰色的納米金剛石粉，其回收率約為所用炸藥質(zhì)量的8~10%，金剛石顆粒粒徑為5~10nm，經(jīng)過(guò)化學(xué)提純可得到純度約95~97%。
大賽璐納米金剛石爆轟法合成路線
此外金剛石薄膜或涂層根據(jù)可以顆粒大小分為微米級(jí)和納米級(jí)，其中納米金剛石薄膜是利用CVD方法生長(zhǎng)出的納米級(jí)晶粒組成的金剛石膜，其制備參數(shù)與傳統(tǒng)微米尺度金剛石薄膜不同，是通過(guò)金剛石的二次成核，獲得致密的、晶粒尺寸為納米級(jí)的金剛石薄膜。這種薄膜光滑、致密、無(wú)孔，是制備生物傳感器以及生物醫(yī)學(xué)儀器的關(guān)鍵材料。
對(duì)納米金剛石表面上的氧官能團(tuán)或sp2碳原子，通過(guò)化學(xué)反應(yīng)包括官能團(tuán)變換和替換團(tuán)轉(zhuǎn)移，可以提高對(duì)各種媒體的分散性或可以增加新的功能?；钣媒饎偸奶匦裕⒖刂凭哂写蟊砻娣e的納米微粒表面化學(xué)，納米金剛石有望用于各個(gè)領(lǐng)域。
大賽璐對(duì)納米金剛石表面化學(xué)性質(zhì)的控制
納米金剛石的應(yīng)用
納米金剛石的獨(dú)特性質(zhì)使其在精密拋光和潤(rùn)滑、化工催化、復(fù)合鍍層、高性能金屬基復(fù)合材料、化學(xué)分析及生物醫(yī)藥等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，并展現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景。
1、超精密拋光
納米金剛石拋光膏和懸浮液用于半導(dǎo)體硅片、計(jì)算機(jī)磁頭、無(wú)線電、醫(yī)學(xué)、機(jī)械制造、寶石等行業(yè)，對(duì)材料進(jìn)行精密拋光。其優(yōu)點(diǎn)是可在任何固體上獲得鏡面效果，表面粗糙度值Ra可達(dá)2~8nm。爆轟法合成的納米金剛石粒徑分布很窄（2~20nm），用分布很窄的納米粒子作磨料進(jìn)行拋光或研磨，可得到表面粗糙度值Ra為0.1~1.0nm的超光滑表面。例如近年來(lái)計(jì)算機(jī)磁盤(pán)與磁頭間隙越來(lái)越小，已趨近于10nm，磁頭和磁盤(pán)的表面粗糙度、劃痕和雜質(zhì)粒子均會(huì)對(duì)計(jì)算機(jī)磁盤(pán)造成損害，由于磁盤(pán)與磁頭的間距已經(jīng)到了納米級(jí)，微米級(jí)的拋光液已經(jīng)達(dá)不到拋光要求，需要采用納米級(jí)的金剛石拋光液滿足這一方面的需求。
2、機(jī)械潤(rùn)滑劑
潤(rùn)滑油中加入納米金剛石，使滑動(dòng)摩擦變成滾動(dòng)摩擦，摩擦副表面逐漸改性，形成又硬又滑的金屬碳化物，其減摩抗磨效果是用有機(jī)化工方法無(wú)法比擬的，可提高發(fā)動(dòng)機(jī)和傳動(dòng)裝置工作壽命，節(jié)約燃油機(jī)油，降低表面磨損等。納米金剛石具有強(qiáng)共價(jià)鍵和強(qiáng)烈的親油疏水特性，可以在各類潤(rùn)滑油中形成穩(wěn)定分散的膠體體系，從而將納米金剛石粒子引入摩擦副之間，起到顯著的減摩耐磨作用。同時(shí)，由于納米金剛石良好的抗壓性能和修復(fù)功能，可以充分發(fā)揮其協(xié)同增效作用和潤(rùn)滑油添加劑之間的相互作用，研制出耐磨性能優(yōu)異的復(fù)合潤(rùn)滑油和添加劑。目前，納米金剛石在該領(lǐng)域的應(yīng)用比較成熟，市場(chǎng)上會(huì)經(jīng)常看到相關(guān)的產(chǎn)品。
3、工業(yè)催化
納米金剛石比表面積大，具有大量的結(jié)構(gòu)缺陷，化學(xué)活性高，尤其是表面做出功能化改性以后，可以賦予多種官能團(tuán)，適于用作催化劑載體，提高催化效率，這也是碳基催化材料的一個(gè)代表。
4、構(gòu)件材料及復(fù)合鍍層
納米金剛石兼具納米粒子和超硬材料的雙重特性，可將其用來(lái)制造增強(qiáng)橡膠、增強(qiáng)樹(shù)脂，該應(yīng)用在提高材料熱導(dǎo)率，聚合物降解溫度、強(qiáng)度和耐磨性等方面作用明顯，使納米金剛石在新型復(fù)合材料領(lǐng)域具有廣闊的開(kāi)發(fā)前景。如代替炭黑用在橡膠中，能使其強(qiáng)度提高1~4倍，明顯改善其耐磨性和密封性。
此外還可以增強(qiáng)金屬材料，如納米金剛石復(fù)合鍍層和彌散強(qiáng)化型金屬材料。納米復(fù)合鍍技術(shù)是在電解質(zhì)溶液中加入不溶性納米顆粒，使金屬離子被還原的同時(shí)，將納米顆粒彌散分布于金屬鍍層的方法。復(fù)合鍍層能有效提高鍍層與基體之間的結(jié)合強(qiáng)度，納米金剛石復(fù)合鍍層具有超硬、高耐磨、耐熱防腐的性能，可用于金屬表面和橡膠、塑料、玻璃等表面的涂覆。納米復(fù)合鍍基體主要有鎳、銅、鈷等，含納米金剛石的復(fù)合鍍鎳層用作磁盤(pán)或磁頭耐磨保護(hù)層與普通鍍層相比，其硬度增加了50%，耐磨性能增加的更顯著。比較出名的是納米金剛石復(fù)合涂層做的拉絲模，其生產(chǎn)效率及產(chǎn)品質(zhì)量得到明顯的提高。
5、防護(hù)涂層
納米金剛石薄膜在光學(xué)性質(zhì)方面有許多優(yōu)異性能，不僅具有良好的透光率、高的折射率而且有不錯(cuò)的耐磨性和耐化學(xué)腐蝕性。因此納米金剛石薄膜是大部分的光學(xué)窗口比較理想的薄膜材料。加入納米金剛石薄膜保護(hù)涂層的光學(xué)玻璃可以大幅提高光學(xué)玻璃在極端條件下抗雨蝕，沙蝕，和抗劃傷能力，甚至在高溫，輻射環(huán)境當(dāng)中也能起到保護(hù)效果，如導(dǎo)彈的整流罩可以使用納米金剛石薄膜起到保護(hù)作用。此外納米金剛石薄膜也具有優(yōu)異的電化學(xué)性能，介電損耗非常低，因此也可以作為高功率微波管窗口。由此來(lái)看，納米金剛石薄膜無(wú)疑成為了微波制導(dǎo)、紅外制導(dǎo)等導(dǎo)彈引導(dǎo)方面發(fā)展方向上非常好的選擇。
6、涂料添加劑
將納米金剛石分散到多種涂料中均可使其性能得到明顯改善。納米金剛石的加入不僅增加涂料的顯微硬度，更加耐沖擊、抗擦傷，而且與基底粘接更牢固，抗腐蝕性、抗水性、熱傳導(dǎo)性均有很大提高。對(duì)于柔性涂料，通常拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率互相制約，但加入納米金剛石后可同時(shí)大幅提高。同時(shí)納米金剛石也可以增加涂料中樹(shù)脂的性能。
7、電學(xué)領(lǐng)域
納米金剛石具有優(yōu)異的電學(xué)性能、熱導(dǎo)率高、禁帶寬度寬、高的載流子遷移率使得其在半導(dǎo)體領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用具有極大地潛力。與單獨(dú)的硅納米線相比，納米金剛石薄膜具有優(yōu)良的場(chǎng)發(fā)射性能，其場(chǎng)發(fā)射強(qiáng)度要高很多。這是由于納米金剛石薄膜具有較小的晶粒尺寸，閾值電壓較低，很容易從薄膜內(nèi)發(fā)射電子。納米金剛石薄膜的冷陰極場(chǎng)發(fā)射性能遠(yuǎn)比微米金剛石薄膜優(yōu)異，用做制備場(chǎng)發(fā)射器件，不僅高效而且能大大降低制作成本和能耗。綜合來(lái)看，納米金剛石薄膜有潛力成為制備下一代平面顯示器的重要材料。
8、生物醫(yī)用
研究表明納米技術(shù)與醫(yī)學(xué)相互結(jié)合，可望從根本上改變治癌的醫(yī)療水平。納米藥物可能成為“精確制導(dǎo)導(dǎo)彈”，經(jīng)過(guò)特殊表面改性的納米金剛石可殺死皮膚癌細(xì)胞約70%，而對(duì)正常細(xì)胞沒(méi)有毒副作用。
納米金剛石化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，在氫氟酸、鹽酸、硫酸中，甚至在酸的濃度很大且溫度極高的情況下都沒(méi)有任何反應(yīng)，在強(qiáng)氧化劑中，高溫下較長(zhǎng)時(shí)間才會(huì)被刻蝕。加上納米金剛石顆粒表面含有大量的含氧官能團(tuán)，利用納米金剛石作為葡萄糖氧化酶的載體可制成性能優(yōu)良的血糖測(cè)定傳感器。
納米金剛石作為一種新型的碳納米材料，具有化學(xué)惰性、有熒光但無(wú)光致漂白、無(wú)毒性的優(yōu) 勢(shì)，可用于細(xì)胞標(biāo)記與生物成像。它可以用于癌細(xì)胞與干細(xì)胞的標(biāo)記與追蹤，也可以作為與細(xì)菌或細(xì)胞相互作用的熒光探針，同時(shí)，在細(xì)胞水平上，它還可以作為生物成像的載體將生物活性物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)到細(xì)胞內(nèi)發(fā)揮作用，而且可以用于體內(nèi)的生物成像。
納米金剛石與生物體的兼容性很好，是人造骨、人造關(guān)節(jié)的表面耐磨涂層的適宜材料，因其不粘連皮膚，可作外科敷料的內(nèi)層保護(hù)膜等。在歐盟第8研發(fā)框架計(jì)劃（FP7）和地平線2020的資助下，分別由法國(guó)和德國(guó)作為協(xié)調(diào)國(guó)的 NeuroCare和NDI項(xiàng)目，均利用納米金剛石作為與人體交互新的媒介，有望在人工視網(wǎng)膜植入和磁共振成像（MRI）領(lǐng)域取得重要突破。
9、環(huán)保領(lǐng)域
由于納米金剛石的表面原子所占比例大，原子的表面活性極強(qiáng)，因而它的吸附作用是很強(qiáng)的。在溶液中，1g納米金剛石可吸附 50g Ni。它可有效地過(guò)濾重金屬和放射性物質(zhì)。對(duì)有害氣體的吸附，納米金剛石更是最有利的工具之一，甚至對(duì)放射性廢水的處理效果超過(guò)傳統(tǒng)的砂子、活性炭過(guò)濾。
雖然納米金剛石的性能優(yōu)異，用處很多，但在小編看來(lái)，目前很多領(lǐng)域如生物醫(yī)用及環(huán)保工程都在前期的探索中，其附加值及前景雖然很好，但需要攻關(guān)的技術(shù)太多，短期內(nèi)不會(huì)有相關(guān)的產(chǎn)品。就產(chǎn)品成熟度，性價(jià)比及市場(chǎng)認(rèn)可情況來(lái)看，比較靠譜的應(yīng)用依然是超精密拋光、潤(rùn)滑油及復(fù)合鍍層領(lǐng)域。