Nanodiamanti: proprietà

I nanodiamanti hanno destato l’interesse  di quanti si occupano di nanotecnologie per la loro eccezionale durezza, resistenza alla frattura e per il loro potenziale utilizzo in dispositivi miniaturizzati.

Il diamante è una forma allotropica del carbonio costituito da un reticolo cristallino in cui sono presenti atomi di carbonio disposti con una simmetria tetraedrica.
Il diamante è il minerale più duro che si conosce ed ha la massima durezza nella scala di Mohs pari a 10 ed è dotato di elevata tenacità e scarsa comprimibilità.

Oltre che nel campo della gioielleria il diamante è molto richiesto per usi industriali a causa della sua durezza.

Esso è indispensabile per la costruzione di seghe circolari, punte di perforatrici, componenti elettrici e smerigliatrici

oltre che per il taglio e la lucidatura di pietre, vetro, marmo e granito.

Il diamante, tuttavia, all’aria si ossida a una temperatura di 800°C pertanto gli utensili diamantati vanno incontro a una rapida usura.

Sono quindi stati preparati diamanti sintetici con una maggiore stabilità termica che mostrano tuttavia una maggiore fragilità o, in alternativa, può essere utilizzato il nitruro di boro.

Negli ultimi decenni gli scienziati si sono interessati a diamanti di dimensioni nanometriche rinvenute in meteoriti, nelle nebulose protoplanetarie e in sedimenti terresti risalenti a circa 15000 anni fa.

Proprietà dei nanodiamanti

Recenti studi hanno confermato che è possibile utilizzare i nanodiamanti per la produzione di nanocompositi, catalizzatori selettivi e adsorbenti, componenti elettronici e materiali utilizzati in biologia e medicina grazie alla assenza di tossicità.

Si ritiene che i nanodiamanti possano essere utilizzati in futuro per il trasporto di farmaci in zone particolari di cellule danneggiate. In esse le nanoparticelle di maggiori dimensioni potrebbero non entrare.

I nanodiamanti sono in grado di migliorare la qualità di:

• sistemi di registrazione magnetica
• composizioni polimeriche
• attrezzi abrasivi
• lubrificanti
• composti microabrasivi e usati come componenti per la lucidatura.

Tra i metodi sintetici per la preparazione di nanodiamanti vi è una tecnica che consiste nel detonare alcuni esplosivi contenenti carbonio ottenuti mescolando, ad esempio,  il 2,4,6-trinitrotolunene noto come TNT con la  ciclotrimetilentrinitroammina, conosciuta anche come RDX o con il  triamminotrinitrobenzene ovvero TATB all’interno di una camera metallica in atmosfera inerte.

Durante l’esplosione, la pressione e la temperatura nella camera di sintesi raggiungono valori sufficientemente elevati da convertire il carbonio in diamante. La camera dopo l’esplosione viene immersa in acqua dove si raffredda rapidamente impedendo la conversione del diamante appena formato in grafite più stabile

I  nanocristalli ottenuti con questa tecnica sono chiamati nanodiamanti da detonazione; altre tecniche impiegano il carbonio, in genere sotto forma di grafite, sottoponendolo a pressioni elevatissime dell’ordine di 3.5 GPa e temperature di circa 3000°C.

Tra gli altri metodi possibili è previsto il bombardamento di ioni e laser, metodi idrotermici, elettrochimici o anche ultrasonici.

Principali applicazioni

Biomedicina e diagnostica

I nanodiamanti presentano buona biocompatibilità, superficie attiva elevata per funzionalizzazione (legare molecole, farmaci, biomarcatori) e fluorescenza stabile, senza “photobleaching”. Vengono proposti come vettori per la somministrazione di farmaci, marker per imaging cellulare o intra-cellulare, dispositivi di bio­sensing.

Materiali compositi, rivestimenti e lubrificazione

-L’uso di nanodiamanti come filler in polimeri/metalli per aumentare resistenza meccanica, conducibilità termica, usura e durata.
-Additivi lubrificanti: data la elevata durezza e dimensione nanometrica, i ND possono essere utilizzati per ridurre attrito/ usura in componenti meccanici.
-Rivestimenti anti-corrosione, anti-usura: l’inclusione di ND in strati superficiali migliora performance in ambienti gravosi.

Elettronica, sensoristica e tecnologie quantistiche

Grazie alle proprietà ottiche e magnetiche dei centri NV nei nanodiamanti, questi materiali sono esplorati per sensing di campi magnetici, temperatura, cariche elettroniche, e potenzialmente per informatica quantistica.

Nell’elettronica e nei materiali termici: filler termici isolanti elettricamente ma conduttivi termicamente, per gestire il calore nei dispositivi avanzati

Prospettive e criticità

Anche se le applicazioni biomediche sono molto promettenti, va tenuto conto che la ricerca è ancora in gran parte sperimentale, e la traduzione clinica/commerciale richiede valutazioni approfondite su tossicità, biodistribuzione, stabilità.

La dispersione e la stabilizzazione delle particelle nanodiamanti rappresentano una sfida: ad esempio, il fenomeno di agglomerazione può ridurre l’efficacia; sono in uso tecniche come la sonicazione per ottenere sospensioni stabili.

Nel campo quantistico e sensoristico, la qualità dei centri NV e la produzione su scala elevate con costi contenuti sono ancora ostacoli.

I costi e la complessità di produzione, funzionalizzazione e integrazione rimangono superiori rispetto a materiali più “maturi”.

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