Сравнение морфологических и структурных характеристик частиц нанопорошков, полученных измельчением природного алмаза и методом детонационного синтеза

Исследованы особенности морфологических и структурных характеристик частиц нанопорошков, полученных измельчением массивного природного алмаза и путем детонационного синтеза. Методами высокоразрешающей просвечивающей и растровой электронной микроскопии, малоуглового рентгеновского рассеяния показано, что в отличие от нанопорошка детонационного синтеза, состоящего из  близких по размеру и изометрических  первичных частиц, частицы природного нанопорошка, полученные измельчением, имеют более широкий разброс  по размерам и преимущественно пластинчатую форму. Рентгеноструктурным фазовым анализом и спектроскопией комбинационного рассеяния, использованными в дополнение к вышеупомянутым методам,  установлено, что структура частиц наноалмаза,  полученного из  природного алмаза, аналогична строению наноалмаза детонационного синтеза. Каждая частица природного нанопорошка, так же как и наноалмаз детонационного синтеза, состоит из алмазного ядра, имеющего кристаллическую решетку, относящуюся к кубической сингонии, и оболочки, содержащей в основном неалмазные формы углерода с sp²-гибридизацией, имеющие сложную структуру. Данные по оценке среднего размера частиц нанопорошков из природного алмаза и детонационного синтеза тремя методами, включая метод БЭТ, показали удовлетворительно согласующиеся между собой результаты. При этом средний размер  наночастиц порошка природного происхождения близок к 24  нм,  а наноалмазов детонационного синтеза марки УДА-С-ГО производства ФНПЦ «Алтай» – к 5,6 нм. Экспериментально выявлено незначительное увеличение межатомных расстояний в нанокристаллах алмаза по сравнению с массивным кристаллом алмаза. Изучением и анализом большого количества изображений нанокристаллов алмазов природного происхождения и детонационного синтеза, полученных высокоразрешающей просвечивающей электронной микроскопией, определено, что наиболее часто встречающимися дефектами в наноалмазах являются дислокации и точечные дефекты.

1. Yongwei Zhu, Zhijing Feng, Baichun Wang, Xianyang Xu. Dispersion of nanodiamond and ultra-fine polishing of quartz wafer. China Particuology. 2004. Vol. 2. No. 4. P. 153—156.

2. Acharya B., Avva K.S., Thapa B., Pardue T.N., Krim J. Synergistic effect of nanodiamond and phosphate ester anti-wear additive blends. Lubricants. 2018. Vol. 6. No. 2. P. 56—70. DOI: doi.org/10.3390/lubricants6020056.

3. Raina A., Anand A. Tribological investigation of diamond nanoparticles for steel/steel contacts in boundary lubrication regime. Appl. Nanosci. 2017. Vol. 7. No. 7. P. 371—388. DOI: doi.org/10.1007/s13204-017-0590-y.

4. Zhang Y., Choi J.R., Park S.-J. Thermal conductivity and thermo-physical properties of nanodiamond-attached exfoliated hexagonal boron nitride/epoxy nanocomposites for microelectronics. Composites. Part A: Appl. Sci. Manufact. 2017. Vol. 101. P. 227—236. DOI:dx.doi.org/10.1016/j.compositesa.2017.06.019.

5. Afandi A., Howkins A., Boyd I., Jackman R. Nanodiamonds for device applications: An investigation of the properties of boron-doped detonation nanodiamonds. Sci. Rep. 2018. Vol. 8. No. 1. P. 1—10. DOI:doi.org/10.1038/s41598-018-21670-w.

6. Hsu S-H., Kang W.P., Davidson J.L., Huang J.H., Kerns D.V. Jr. Nanodiamond vacuum field emission integrated differential amplifier. IEEE Trans. Electron Devices. 2013. Vol. 60. No. 1. P. 487—493. DOI:doi.org/10.1109/TED.2012.2228485.

7. Тверитинова Е.А., Житнев Ю.Н., Кулакова И.И., Маслаков К.И., Нестерова Е.А., Харланов А.Н., Иванов А.С., Савилов С.В., Лунин В.В. Влияние структуры и свойств поверхности на каталитическую активность наноалмаза в конверсии 1,2-дих лорэтана. Журн. физ. химии. 2015. Т. 89. No. 4. С. 680—687.

8. Lin Y., Sun X., Su D., Centi G., Perathoner S. Catalysis by hybrid sp2/sp3 nanodiamonds and their role in the design of advanced nanocarbon materials. Chem. Soc. Rev. 2018. Vol. 47. No. 22. P. 8438—8473. DOI:doi.org/10.1039/C8CS00684A.

9. Яковлев Р.Ю., Соломатин А.С., Леонидов Н.Б., Кулакова И.И., Лисичкин Г.В. Детонационный наноалмаз — перспективный носитель для создания систем доставки лекарственных веществ. Росс. хим. журн. 2012. Т. 56. No. 3—4. С. 114—125.

10. Schrand A.M., Dai L., Schlager J.J., Hussain S.M., Osawa E. Differential biocompatibility of carbon nanotubes and nanodiamonds. Diam. Relat. Mater. 2007. Vol. 16. No. 12. P. 2118—2123.

11. Zhao X., Wang T., Li Y., Huang L., Handschuh-Wang S. Polydimethylsiloxane/nanodiamond composite sponge for enhanced mechanical or wettability performance. Polymers. 2019. Vol. 11. No. 6. P. 948—960. DOI:doi.org/10.3390/polym11060948.

12. Верещагин А.Л. Строение и реакционная способность детонационных алмазов. Южно-сиб. науч. вестн. 2017. No. 2 (18). С. 24—30.

13. Долматов В.Ю., Веретенникова М.В., Марчуков В.А., Сущев В.Г. Современные промышленные возможности синтеза наноалмазов. Физика тв. тела. 2004. Т. 46. No. 4. С. 596—600.

14. Сакович Г.В., Комаров В.Ф., Петров Е.А. Синтез, свойства, применение и производство наноразмерных синтетических алмазов. Ч. 1. Синтез и свойства. Сверхтвердые материалы. 2002. No. 3. С. 3—18.

15. Шарин П.П., Лебедев М.П., Яковлева С.П., Винокуров Г.Г., Стручков Н.Ф., Кузьмин С.А. Получение ультрадисперсных порошков природных алмазов и исследование их свойств. Персп. материалы. 2014. No. 4. С. 58—63.

16. Орлов Ю.Л. Минералогия алмаза. Изд. 2-е. М.: Наука, 1984.

17. Миков С.Н., Иго А.В., Горелик В.С. Комбинационное рассеяние света на алмазных квантовых точках в матрице бромистого калия. Физика тв. тела. 1995. Т. 37. No. 10. С. 3033—3038.

18. Букалов С.С., Михалицын Л.А., Зубавичус Я.В., Лейтес Л.А., Новиков Ю.Н. Исследование строения графитов и некоторых других sp2 углеродных материалов методами микро-спектроскопии КР и рентгеновской дифрактометрии. Росс. хим. журн. 2006. Т. 1. No. 1. С. 83—91.

19. Алексенский А.Е., Байдакова М.В., Вуль А.Я., Сиклицкий В.И. Структура алмазного нанок ластера. Физика тв. тела. 1999. Т. 41. No. 4. С. 740—743.

20. Chung P.-H., Perevedentseva E., Cheng C.-L. The particle size-dependent photoluminescence of nanodiamonds. Surf. Sci. 2007. Vol. 601. No. 18. P. 3866—3870.

21. Михеев К.Г., Шендерова О.А., Когай В.Я., Могилева Т.Н., Михеев Г.М. Раман-спектры наноалмазов детонационного и статического синтеза и влияние лазерного воздействия на их спектры люминесценции. Хим. физика и мезоскопия. 2017. Т. 19. No. 3. С. 396—406.

22. Шарков М.Д., Бойко М.Е., Ивашевская С.Н., Конников С.Г. Характеризация структуры ультрадисперсного алмаза с помощью методов рентгеновской дифрактометрии и малоуглового рассеяния рентгеновских лучей. Физика тв. тела. 2014. Т. 56. No. 11. С. 2265—2268.

23. Байдакова М.В., Кукушкина Ю.А., Ситникова А.А., Яговкина М.А., Кириленко Д.А., Соколов В.В., Шестаков М.С., Вуль А.Я., Zousman B., Levinson O. Структура наноалмазов, полученных методом лазерного синтеза. Физика твердого тела. 2013. Т. 55. No. 8. С.1633—1639.

24. Яловега Г.Э., Солдатов М.А., Солдатов А.В. Электронная и локальная структура свободных к ластеров алмаза как функция размера к ластера. Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. 2009. No. 7. С. 80—83.

25. Байтингер Е.М., Беленков Е.А., Брежинская М.М., Грешняков В.А. Особенности строения детонационных наноалмазов по результатам электронно-микроскопических исследований. Физика тв. тела. 2012. Т. 54. No. 8. С. 1606—1613.

26. Гусев М.Б., Бабаев В.Г., Хвостов В.А., Валлиулова З.Х. Исследовани я ульт ра дисперсны х а лмазны х паст. Изв. РАН. Сер. физическая. 1994. Т. 56. No. 1. С. 191—194.

27. Богатырева Г.П., Созин Ю.И., Олейник Н.А. Структура, субструктура, фазовый состав ультрадисперсных алмазов А ДС и УДА. Сверхтв. материалы. 1998. No. 4. С. 5—10.

28. Osswald S., Yuchin G., Mochalin V., Kucheyev S.O., Gogotsi Y. Control of sp2/sp3 carbon ratio and surface chemistry of nanodiamond powders by selective oxidation in air. J. Am. Chem. Soc. 2006. Vol. 128. No. 35. P. 11635—11642.

29. Плотников В.А., Демьянов Б.Ф., Макаров С.И., Черков А.Г. Атомная структура нанокристаллов детонационного алмаза. Фундам. пробл. соврем. материаловедения. 2012. Т. 9. No. 4. С. 521—526.

30. Плотников В.А., Демьянов Б.Ф., Макаров С.В., Богданов Д.Г. Примесная подсистема детонационного наноалмаза. Фундам. пробл. соврем. материаловедения. 2013. Т. 10. No. 4. С. 487—492.

31. Nemeth P., Garvie L.A.J., Buseck P.R. Twinning of cubic diamond explains reported nanodiamond polymorphs. Sci. Rep. 2015. Vol. 5. No. 1. P. 1—8. DOI: dx.doi.org/10.1038/srep18381.

32. Petit T., Puskar L. FTIR spectroscopy of nanodiamonds: Methods and interpretation. Diam. Relat. Mater. 2018. No. 89. P. 52—66. DOI:doi.org/10.1016/j.diamond.2018.08.005.