Алмазы из взрывчатки

Трудно найти химический элемент, который в виде простого вещества был бы столь же многолик, как углерод. Алмаз и графит, карбины и фуллерены, сажа и лонсдейлит, кокс и активированный уголь – все эти совершенно непохожие друг на друга вещества состоят из одних и тех же атомов углерода, по-разному соединенных друг с другом.
Аллотропные модификации углерода давно и успешно применяют в технике. Кристаллы алмаза используют для изготовления режущего инструмента, алмазный порошок – в шлифовальных составах. Графит применяют в качестве смазочного материала и для изготовления плавильных тиглей для металлургии. Активированный уголь хорошо поглощает вредные примеси из газов и растворов. Графит и сажу применяют как наполнители пластмасс и резины.
Графит – наиболее стабильная форма существования углерода, однако и другие его модификации при обычных условиях могут сохраняться сколь угодно долго. При высоких температурах они переходят в графит. В случае алмаза это происходит при нагревании выше 1000 °С в отсутствие кислорода. Обратный переход осуществить гораздо труднее. Необходима не только высокая температура (1200–1600 °С), но и гигантское давление – до 100 тыс. атм. Превращение графита в алмаз проходит легче в присутствии расплавленных металлов (железо, кобальт, хром и др.). Ювелирные алмазы таким образом получить не удается, т. к. размеры образующихся кристаллов обычно не превышают миллиметра, однако их широко используют в технике.
Проблема синтеза алмазов была решена еще в 50-х гг. XX в. И все же поиски новых методов их получения не прекращались. Было предложено, например, наращивать алмазные пленки на алмазных затравках в ходе разложения углеродсодержащих веществ при температуре 1000 °С и пониженном давлении.
Условия, необходимые для быстрого перехода графита и других форм углерода в алмаз можно получить и при детонации мощных взрывчатых веществ или их смесей. При огромных температурах и давлениях во взрывной волне (более 3000 °С и 100 тыс. атм) атомы углерода могут сформировать кристаллическую решетку алмаза. Нужно лишь, чтобы выделилось достаточное количество углерода. Для этого взрыв проводят без доступа воздуха, например под водой. В таких условиях за десятые доли секунды образуется порошкообразная смесь разных форм углерода, содержащая до 75% алмазов. Отличительной особенностью алмазов, полученных детонационным способом, является их очень малые размеры – несколько нанометров.
Методы синтеза наноалмазов в нашей стране разработаны в лабораториях Санкт-Петербурга, Бийска, Снежинска (Челябинская обл.). Крошечные алмазы получают, в частности, при взрыве сплава тротила с гексогеном в условиях недостатка кислорода. Образующуюся после взрыва смесь различных форм углерода обрабатывают кислотами (обычно разбавленной азотной) при высоких температуре и давлении. Происходит постепенное разложение неалмазных структур, и получается порошок, состоящий из очень мелких алмазных зерен. Современные промышленные технологии позволяют производить наноалмазы в количествах, исчисляемых тоннами.
По сравнению с обычными (природные, синтетические) алмазами, которые сами по себе обладают уникальным сочетанием химических, физико-химических и механических свойств, алмазы, полученные в виде наночастиц, приобретают еще более необычные качества. Сфера применения наноалмазов оказалась гораздо шире, чем обычных алмазов. Они входят в состав электрохимических и химических металл-алмазных покрытий, полимерных пленок и резин, смазочных материалов, полировальных составов, магнитных носителей информации. Из порошков наноалмазов под действием высоких давлений и температур изготавливают так называемые алмазные стекла и алмазную керамику. Развитая поверхность нанокристаллического алмазного материала используется при очистке газов и жидкостей от вредных веществ. Таким образом, наноалмазы сочетают в себе полезные качества сразу нескольких форм углерода: обычного алмаза и графита, сажи и активированного угля.
В последние годы проведено детальное изучение строения и свойств наноалмазов. Использование современных физико-химических методов исследования дало возможность выяснить особенности формирования структуры, свойства поверхности, химическую и адсорбционную активность наночастиц.
Было обнаружено, что полученные в условиях взрыва кристаллики алмазов имеют очень узкий диапазон размеров, составляющий 4–5 нм. По-видимому, это не случайно. Теоретические расчеты подтверждают, что при таких размерах кристаллов именно алмаз (а не графит) является наиболее устойчивой формой углерода.
Исследования показали, что внутренняя часть нанокристаллов имеет совершенную структуру алмаза, где каждый атом углерода связан прочными связями с четырьмя соседними такими же атомами. Однако на поверхности кристалла углеродные атомы не в состоянии насытить все свои связи за счет других атомов углерода. Это возможно лишь в фуллеренах – единственной «чистой» форме углерода. В алмазе, графите и других модификациях атомы углерода, расположенные на поверхности, насыщают свои связи, направленные наружу из объема, за счет взаимодействия с атомами других элементов (например, водорода или кислорода). Чем мельче частицы, тем больше их суммарная поверхность. Общая поверхность нанокристаллов алмаза массой 1 г составляет 250–350 м². В связи с этим они содержат помимо углерода довольно много других атомов, образующих внешний слой.
Алмазная частица размером около 4 нм состоит примерно из 12 тыс. атомов углерода, из них около 3 тыс. находятся на поверхности кристалла. На каждые 25 поверхностных атомов углерода приходится 5–35 атомов водорода, 4–32 атомов кислорода и 2–4 атома азота, образующих различные химически активные группы.
Таким образом, наноалмаз можно представить себе как крошечный кристалл, окруженный своеобразной «шубой» из неуглеродных атомов. Относительно плотное и упорядоченное кристаллоподобное ядро определяет «алмазные» свойства материала, в том числе высокую твердость. Разрыхленная оболочка ответственна за химическую активность. Обрабатывая наноалмазы различными веществами, можно изменять природу «шубы» на поверхности частиц и тем самым их свойства.
Особой структурой наночастиц объясняются уникальные свойства нового материала, используемые, например, в полировальных и смазочных составах. Сверхмалый размер кристаллов обеспечивает устойчивость взвесей наноалмазов в жидкости и минимальную шероховатость обработанной поверхности, химическая стойкость алмазного ядра дает возможность использовать любые присадки и проводить регенерацию, а активная «шуба» на поверхности наноалмазов способствует очистке полируемой поверхности. Полировальные составы, содержащие наноалмазы, позволяют получить идеальную зеркальную поверхность любой формы.
Ученые предполагают, что новый материал весьма перспективен в первую очередь в высоких технологиях и медицине, поэтому исследования свойств и поиски областей применения наноалмазов продолжаются.

ЛИТЕРАТУРА

Долматов В.Ю. Успехи химии, 2001, т. 70, № 7, с. 687–708;
Химическая энциклопедия. В 5 т. Гл. ред. И.Л.Кнунянц, Н.С.Зефиров. М.: Советская энциклопедия, Большая Российская энциклопедия, 1988–1998.

Е.В.САВИНКИНА