Исследователи Института металлургии и материаловедения имени Байкова РАН вместе с коллегами из Физического института имени Лебедева РАН предложили необычный способ очистки наноалмазов. Вместо агрессивных кислот и окислителей они использовали обычную поваренную соль — NaCl. Работа опубликована в журнале Diamond and Related Materials.
Проблема связана с особенностями получения наноалмазов. После синтеза поверхность крошечных кристаллов обычно покрыта графитом и другими примесями. Удалять этот слой необходимо, но традиционная химическая очистка может одновременно повредить алмазное ядро или изменить состав и геометрию его поверхности.
Российские ученые разработали метод неокислительной очистки наноалмазов с помощью соли (NOSAP). Сначала частицы смешивают с раствором NaCl, затем смесь лиофильно сушат. После этого полученный материал нагревают до 500 °C.
При нагревании ионы натрия и хлора проникают между слоями графитовой оболочки. После охлаждения соль растворяют водой. Вместе с ней отделяется и оболочка: вместо мелкой сажи исследователи получают крупные чешуйки размером 250–500 мкм.
Никакого «сгорания» углерода
Один из ключевых результатов эксперимента — отсутствие признаков существенного окислительного разрушения оболочки. В опубликованных материалах исследования сообщается, что термогравиметрический анализ с масс-спектрометрией практически не выявил выделения CO2 при нагревании.
Другие методы анализа дали похожую картину. Рамановская спектроскопия подтвердила очистку поверхности, а электронная микроскопия показала, что после обработки частицы сохраняют четкие кристаллографические грани. Иными словами, очистка не должна сопровождаться травлением алмазного ядра.
После процедуры ученые получили белый порошок очищенных наноалмазов. Выход алмазной фазы составил около 72% от исходной массы.
Инфракрасная спектроскопия также не обнаружила явных признаков образования характерных для окисления карбонильных или эфирных групп. Наблюдавшиеся OH-сигналы связывались преимущественно с физически адсорбированной водой и исчезали после мягкой сушки.
По совокупности результатов авторы связывают эффект именно с интеркаляцией и последующим отслаиванием: соль проникает в графитоподобную оболочку, а ее последующее растворение водой помогает отделить углерод от алмазного ядра.
Зачем нужны столь чистые наноалмазы
Чистота поверхности здесь не косметический параметр и не самоцель. Наноалмазы рассматриваются как сырье для квантовых технологий, сенсоров, биомедицины и функциональных материалов, где поверхностные химические группы способны критически влиять на поведение частиц.
Например, Hi-Tech Mail ранее писал о наноалмазах с азотно-вакансионными центрами, которые могут работать как сверхчувствительные квантовые датчики магнитных полей.
Также мы сообщали о создании наноалмазов с помощью электронного луча. Исследователи смогли наблюдать формирование алмазной структуры непосредственно в электронном микроскопе; получавшиеся кристаллы достигали примерно 10 нм.
На этом фоне метод NOSAP решает уже следующую технологическую задачу — как очистить полученные наноалмазы, не испортив поверхность. Авторы исследования считают, что использование доступного NaCl, относительно простой последовательности операций и отсутствие необходимости в окислительной обработке могут сделать технологию перспективной для масштабирования.
О том, как российские наноалмазы помогут утилизации радиоактивных отходов, читайте здесь.
