Детонационный метод получения алмазов

Детонационный синтез алмазов (ДСА) — это способ получения алмазов через взрыв углеродсодержащих веществ в контролируемой среде. Данный способ отличается от производства алмазов при высоком давлении, температуре (HPHT) и химическом газофазном осаждении из паровой фазы (CVD) тем, что происходит за доли секунды. В результате образуются не крупные минералы, а поликристаллические наночастицы алмаза.

Суть метода ДСА

Впервые в России детонационный синтез был осуществлён во ВНИИТФ академиком Е.И. Забабахиным в 1963 году. Но, как и CVD-метод в советские времена, в связи с успешным развитием производства алмазов при высоком давлении и температуре, был признан нецелесообразным и на долгие годы погребён под грифом «секретно». Тем не менее работы в рамках лаборатории не останавливались [1].

Суть метода заключается в кратковременном ударном воздействии на реакционную массу, представляющую собой графит или другой углеродсодержащий материал, либо их смесь с металлами. Температура при детонации не задаётся заранее, как при статическом синтезе. Она определяется состоянием исходного вещества и давлением сжатия [2].

Способы детонационного синтеза

Существует три основных способа детонационного синтеза алмазного порошка.

1. Способ, использующий ударные волны от взрыва для создания высоких давлений (до 100 ГПа) и температур (до 3000 К) в прочных контейнерах (ампулах) с графитом и металлом. Металл повышает давление, снижает температуру и быстро охлаждает алмаз. За микросекунды образуются поликристаллы размером до нескольких десятков микрон (в основном 7 – 10 мкм) [3]. Благодаря особым условиям синтеза, полученные алмазы обладают в два раза большей абразивной способностью по сравнению с обычными техническими порошками, и, соответственно, имеют более высокую стоимость.

2. В 1973 году был осуществлён способ получения алмазов путём детонации смесей взрывчатых веществ с исходным углеродным материалом [4]. Для предотвращения окисления и термического разрушения алмазных частиц, детонация взрывчатки происходит в герметичной камере, заполненной инертным газом. Преобразование углерода в алмаз может достигать 50 %. Конечный состав при этом зависит от параметров детонации. Полученный алмаз представляет собой дисперсный порошок с размером кристаллитов 6 – 10 нм и большой удельной поверхностью, варьирующейся от 20 до 150 м²/г.

3. Согласно исследованиям Г.В. Саковича и его коллег [5], образование алмазов возможно при детонации конденсированных взрывчатых веществ с дефицитом кислорода, таких как тринитротолуол, в охлаждающей среде. Такие вещества при разложении выделяют «свободный углерод», который и преобразуется в алмазы. Ультрадисперсные алмазы (УДА), полученные при таком способе, имеют размер частиц 2–6 нм и площадь поверхности до 350 м²/г. Эти свойства обеспечивают их высокую сорбционную и химическую активность.

Применение детонационных алмазов

Наноалмазы, благодаря своим уникальным свойствам (высокая твёрдость, химическая инертность, большая площадь поверхности, биосовместимость, способность к люминесценции), находят широкое применение в различных областях науки и техники:

• Абразивные материалы: абразивные пасты, полировальные составы и антифрикционные покрытия.
• Медицина и биомедицина: адресная доставка лекарств, биосенсоры, визуализация опухолей, стимуляция роста костной ткани, антибактериальные покрытия и противоопухолевая терапия.
• Электроника: теплоотводы, компоненты транзисторов и других электронных устройств, холодные катоды и аккумуляторы.
• Композитные материалы: в качестве добавок к полимерным, металлическим и керамическим композитам.
• Косметика: эксфолианты, оптические модификаторы и носители активных ингредиентов в глубокие слои кожи.
• Другие области: компоненты смазочных материалов, фильтров, а также в качестве кубитов и сенсоров в квантовых технологиях.

Таким образом, алмазы, полученные методом детонации, представляют собой универсальный материал, находящий применение в самых разных сферах. Благодаря непрерывному развитию технологий синтеза и последующей обработки, их потенциал для решения различных задач в науке и технике продолжает расти.

Источники