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钻石-纳米金刚石,从工业到生物科技的“刚”化之路

2019/08/28 09:00   |    阅读量:847   |    来自: 深圳国际刀具工具及工业耗材展

【导语】 纳米金刚石的制造,特别是应用,是近年来各国科学家的热门研究课题,早在三十多年前就已被研制出来,但其应用过去局限于做聚晶,抛光剂等磨料磨具领域.随着人们对纳米金刚石性质认识的深化,纳米金刚石已在润滑油,金属镀膜,磁性记录系统,医学等领域开始获得应用,并且应用领域还在不断扩展。

当年戴比尔斯的“钻石恒久远,一颗永流传”赋予了金刚石另一种价值存在——见证爱情,不过,很显然这种超硬的碳材料,绝不只会在珠宝上闪烁。

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从材料形态和质量上看,当前,金刚石需要经历低品质的微粉,到高品质、完美结构的纳米尺寸与宝石级尺寸;单晶与多晶的共同发展,添加各种材料以满足更多功能性需求,简单来说就是金刚石需要朝着微观和宏观双向发展,最终实现功能化,其中纳米金刚石的研发与应用正是一大热点。


什么是纳米金刚石?

纳米金刚石早在三十多年前就已被研制出来,这种粒径在1~100nm的金刚石晶粒存在形态,兼有金刚石、纳米材料的特性,例如高硬度、高耐腐蚀性、高热导率、低摩擦系数、低表面粗糙度、大的比表面积、生物相容性、高的表面活性等。

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根据存在形式,纳米金刚石可分为单分散的纳米金刚石粒子和纳米金刚石多晶两类;从空间尺度分类,纳米金刚石分为纳米金刚石膜、一维金刚石纳米棒和二维金刚石纳米片,三维纳米金刚石聚晶颗粒以及零维纳米金刚石单晶颗粒。

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纳米金刚石颗粒的合成方法主要有静压合成、金刚石单晶粉磨、爆轰法三种,且都已应用于工业化生产。此外金刚石薄膜或涂层根据颗粒大小分为微米级和纳米级,其中纳米金刚石薄膜是利用CVD方法生长出的纳米级晶粒组成的金刚石膜,这种薄膜光滑、致密、无孔,是制备生物传感器以及生物医学仪器的关键材料。

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纳米金刚石的超能应用

与普通金刚石一样,纳米金刚石的高硬度使其能很好的满足打磨需求,同时由于其独特性质,纳米金刚石在精密抛光和润滑、化工催化、复合镀层、高性能金属基复合材料、化学分析及生物医药等领域都得到了广泛的应用,并拥有良好的应用前景。

纳米金刚石抛光膏和悬浮液可用于半导体硅片、计算机磁头、无线电、医学、机械制造-刀具、宝石等行业,对材料进行精密抛光,可在任何固体上获得镜面效果,表面粗糙度值Ra可达2~8nm。

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(图为漂浮在空中的纳米金刚石)

在润滑油中加入纳米金刚石,滑动摩擦将变成滚动摩擦,这种润滑油带来的减摩抗磨效果是一般有机化工方法无法比拟的,可提高发动机和传动装置工作寿命,节约燃油机油,降低物体表面磨损等。

由于纳米金刚石兼具纳米粒子和超硬材料的双重特性,可将其用来制造增强橡胶、增强树脂,该应用在提高材料热导率,聚合物降解温度、强度和耐磨性等方面作用明显,使纳米金刚石在新型复合材料领域具有广阔的开发前景。此外,纳米金刚石还能与金属材料相结合,使用纳米金刚石颗粒增强钢铁基复合材料,在相当程度上能解决高性能特钢的问题。

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将纳米金刚石分散到多种涂料中均可使其性能得到明显改善。纳米金刚石的加入不仅增加涂料的显微硬度,还更加耐冲击、抗擦伤,而且与基底粘接更牢固,抗腐蚀性、抗水性、热传导性均有很大提高。

研究表明纳米技术与医学的结合,有望从根本上改变治癌的医疗水平。纳米药物将成为“精确制导导弹”,经过特殊表面改性的纳米金刚石可杀死皮肤癌细胞约70%,且对正常细胞没有毒副作用。其具有化学惰性,有荧光但无毒性的优势,可被用于细胞标记与生物成像。加上纳米金刚石颗粒表面含有大量的含氧官能团,利用纳米金刚石作为葡萄糖氧化酶的载体可制成性能优良的血糖测定传感器。法国和德国针对纳米金刚石对生物体优秀的兼容性,均利用纳米金刚石作为与人体交互新的媒介,有望在人工视网膜植入和磁共振成像领域取得重要突破。

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虽然纳米金刚石的性能优异,应用范围很广,但目前为止,很多领域的应用都还处于起步阶段,短期内不能被大范围的推广使用。对此,我们需要耐心等待,材料将改变生活,纳米金刚石的未来值得每一个人的期待。

图文来自刀具界公众平台

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