Nanoteemant

Nanoteemant ehk teemant-nanoosake (meditsiinis) on teemant, mille suurus on alla 1 mikromeetri (μm). Neid saab toota mõjujuhtumitega nagu plahvatus või meteoriitmõjud. Odavate, suuremahuliste sünteeside, pinna funktsionaliseerimise potentsiaali ja suure bioloogilise ühilduvuse tõttu uuritakse nanoteemante laialdaselt kui potentsiaalset materjali bioloogilistes ja elektroonilistes rakendustes ning kvanttehnikas.

Ajalugu 

1963. aastal märkasid Nõukogude Liidu teadlased Tehnilise Füüsika Uurimisinstituudis, et nanoteemandid on loodud tuumaplahvatustest, milleks kasutatakse süsinikupõhiseid lõhkeaineid.

Struktuur ja koostis 

Teemant-nanoosakeste struktuur koosneb kolmest peamisest osast: üleüldine kuju, südamik ja pind. Läbi mitme difraktsioonikatse on tehtud kindlaks, et teemant-nanoosakeste üleüldine kuju on kas sfääriline või elliptiline. Nanoteemantide südamikus on teemantkeha, mis koosneb peamiselt süsinikust. Kuigi südamiku struktuur sarnaneb teemandi struktuuriga, meenutab nanoteemanti pind tegelikult grafiidi struktuuri. Hiljutine uuring näitab, et nende pind koosneb peamiselt süsinikust, milles on suurel hulgal fenoole, püroone ja sulfoonhapet, aga ka osakesi karboksüülhappe rühmadest, hüdroksüülrühmadest ja epoksiidrühmadest, kuigi väiksemates kogustes. Vahel võib nanoteemantide struktuuris esineda defekte nagu lämmastiku töökeskustes. 15N NMR uuringud kinnitavad selliste defektide olemasolu. Hiljutine uuring näitab, et lämmastiku töökeskuste sagedus väheneb nanoteemantide suurusega.

Tootmismeetodid 
 
Peale plahvatuste, hõlmavad sünteesimise meetodid hüdrotermilist sünteesi, ioonpommitamist, laserpommitamist, mikrolaine plasma keemiliste aurude sadestamise tehnikat, ultraheliuuringut ja elektrokeemilist sünteesi. Lisaks annab grafiidi (C3N4) lagunemine kõrge rõhu ja temperatuuri juures suurtes kogustes kõrge puhtusastmega nanoteemante. Siiski, nanoteemantide detonatsioonisüntees on muutunud tööstusstandardiks nanoteemantide kaubanduslikul tootmisel: kõige sagedamini kasutatavad lõhkeained on trinitrotolueeni ja heksogeeni või oktogeeni segud. Plahvatus teostatakse tihti suletud, hapnikuvabas roostevabast terasest kambris ning sellest saadakse nanoteemantide segu, mille keskmised väärtused on 5 nm ja teised grafiitühendid. Detonatsioonisünteesi korral moodustuvad nanoteemandid rõhu all üle 15 GPa ja temperatuurid üle 3000 K hapniku puudumisel, et vältida oksüdeerumist. Süsteemi kiire jahutamine suurendab nanoteemantide saaki, kuna teemant jääb eelnimetatud tingimustel kõige stabiilsemasse olekusse. Detonatsioonisüntees kasutab gaasi- ja vedelikupõhiseid jahutusvedelikke nagu argoon ja vesi, veepõhised vahud ja jää. Kuna süntees tekitab nanoteemantide ja teiste grafiitsete süsiniku vormide segu, tuleb lisandite segu vabastamiseks kasutada ulatuslikke puhastamismeetodeid. Üldiselt kasutatakse gaasilist osooni töötlemist või lahuse faasi lämmastikhappe oksüdeerumist sp2 süsinike ja metallide lisandite eemaldamiseks.

Nanodiamandi kristalle võib sünteesida grafiidi ultraheliga orgaanilises vedelikus atmosfäärirõhul ja toatemperatuuril. Kavitatsioonivedelikuna valitakse aromaatsete oligomeeride valem, mis on eriti sobiv nende madala aururõhu ja kõrge keemistemperatuuri tõttu. Selles vedelikus segatakse spetsiaalne puhas grafiidipulber, mille osakesi on vahemikus 100–200 mikronit. Maksimaalne ultraheli intensiivsus sonoreaktoris on 75–80 W / cm2 ja vastab helirõhu amplituudile 15–16 baari. Selle konfiguratsiooni korral saavutatakse 10% grafiidi ja teemandi vahetus. Sel viisil valmistatud teemandid on peaaegu monodisperssed ja neil on väga terava servaga, hästi kujundatud vorm. Suurus on vahemikus 6 või 9 μm ± 0,5 μm, kuupmeetri, kristallilise morfoloogia ja kõrge puhtusastmega.

Potentsiaalsed kasutusalad 
N-V tsentraalne defekt koosneb süsiniku aatomi asemel vaba ruumi (tühi koht aatomi asemel) kõrval olevast lämmastikuaatomist teemandi võre struktuuris.

Mikrolaine impulsi rakendamine sellisele defektile muudab elektroni pöörlemise suunda. Mitmete selliste impulsside (Walshi eraldamise järjestus) põhjustab nende toimimist filtritena. Impulside arvu muutmine seerias muudab pöörlemissuunda korduvalt. Nad eraldavad tõhusalt spektraalkoefitsiente, vähendades samal ajal lahutamatust, parandades seega tundlikkust. [15] Signaali töötlemise tehnikaid saab kasutada kogu magnetvälja rekonstrueerimiseks.

Mikroabrasiivne materjal 
Nanoteemandid on nähtavate mõõtmetega teemantidega sarnaselt kõvad ja keemiliselt stabiilsed, muutes nad potentsiaalseteks mootoriõli lisanditeks ja määrdeaineteks.

Meditsiiniline kasutus 
Teemant-nanoosakeste potentsiaalseks kasutusalaks on paljud bioloogilised rakendused ning tänu nende unikaalsetele omadustele nagu inertsus ja kõvadus, nanoteemandid võivad muutuda paremaks alternatiiviks traditsiooniliseele nanomaterjalide, mida kasutatakse ravimite manustamiseks ning katteks, ja sünteetilistele biosensoritele ning biomeditsiinilistele robotitele. Madal tsütotoksilisus kinnitab nende kasutust bioloogiliste materjalidena.

In vitro (katseklaasis) nanoteemantide dispersiooni uurimine rakkudes on näidanud, et enamikul teemant-nanoosakestel on fluorestsentsi, mis jaotub ühtlaselt. Uuringud on näidanud, et väikestel fotoluminestseeruvatel teemant-nanoosakestel, mis jäävad vabaks tsütosoolis, on suurepärase potentsiaaliga transportida biomolekule.

Ravimite manustamine 
Nanoteemandid, mille suuruseks jääb kuni 5 nanomeetri pakuvad suurt ligipääsetavat pinda ja kohandatavat pinnakeemiat. Neil on unikaalsed optilised, mehaanilised ja termilised omadused ning on mittemürgised. Nanoteemantide potentsiaal ravimite manustamises on selgelt demonstreeritud, kuid põhimehhanisme, termodünaamikat ja ravimite manustamise kinemaatikat on halvasti mõistetud. Tähtsateks faktoriteks on näiteks puhtus, pinnase keemiline koostis, lahustuvuse kvaliteet, temperatuur ja iooniline kompositsioon.

Nanoteemandid on võimelised (koos kinnitatud molekulidega) läbima barjääri vere ja aju vahel, mis isoleerib aju enamikust insultidest. 2013. aastal olid doksorubitsiini molekulid (populaarne vähkkasvaja ravim) seotud nanoteemandi pindadega, tekitades ND-DOX ravimi. Katsed näitasid, et kasvajad ei suutnud ühendit välja tõmmata, suurendades ravimi võimet mõjutada kasvajat ja vähendades kõrvalmõjusid. 

Suurematel nanoteemantidel on tänu nende "suure sissevõtu tõhususele" potentsiaaliks olla rakulised märgised.

Viited