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金剛石在功能應用方面的那些事

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 材料是現代文明三大支柱之一,新材料是新技術(shù)革命的基礎與先導?v觀(guān)人類(lèi)利用材料的歷史,可以清楚地看到,每一次新材料的發(fā)現與應用,都把人類(lèi)改造自然的能力提高到一個(gè)新的水平,材料科學(xué)的每一次重大突破,都會(huì )引起生產(chǎn)技術(shù)的革命,給社會(huì )生產(chǎn)和人們生活帶來(lái)巨大的變化。

  從歷史發(fā)展來(lái)看,在每一個(gè)文明的時(shí)代,哪一個(gè)國家或地區首先掌握了這個(gè)時(shí)代的標志性技術(shù),就能在國際競爭中一馬當先,大幅度地提高自己的生產(chǎn)發(fā)展水平;哪一個(gè)國家率先掌握了先進(jìn)技術(shù),就能在當時(shí)的國際競爭格局中取得優(yōu)勢地位。

  金剛石集許多優(yōu)異性能于一身,除了超硬特性之外,它還具有最高的熱傳導率,優(yōu)良的光學(xué)性能、半導體性能和化學(xué)穩定性。今天人造金剛石的應用己經(jīng)涉及眾多的領(lǐng)域,可以毫不夸張地說(shuō),沒(méi)有人造金剛石便沒(méi)有現代化工業(yè)。盡管如此,相對于金剛石的應用潛力而言,到目前為止我們才僅僅開(kāi)發(fā)利用了一小部分,金剛石的應用可以說(shuō)還處于初級階段。

  金剛石在工業(yè)和科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域中的應用,概括地說(shuō),是用作工程材料和功能材料的。自人造金剛石問(wèn)世后的半個(gè)多世紀里,它主要是用來(lái)作為工程材料的,例如制造磨具、鉆探工具、鋸切工具、切削工具等,為工業(yè)技術(shù)的現代化作出了巨大的貢獻,半個(gè)多世紀過(guò)去了,我們認為這僅僅是其應用開(kāi)發(fā)本義的冰山一角,更精彩誘人的應用前景還在后頭。

  功能材料是指那些具有可用于工業(yè)和技術(shù)中的有關(guān)物理和化學(xué)功能,如光、電、磁、聲、熱等特殊性能的各種材料,包括電功能材料、磁功能材料、光功能材料、超導材料、智能材料、儲氫材料、生物材料、醫學(xué)材料、組織工程材料、納米藥物載體、功能膜等。

  金剛石膜是上世紀70年代發(fā)展起來(lái)的一種全新的金剛石產(chǎn)品。由于它突破了以靜壓法為代表的傳統人造金剛石在尺寸上的限制,使得金剛石的光學(xué)、熱學(xué)、電子學(xué)方面的優(yōu)異性能得以利用。

  隨著(zhù)大單晶金剛石合成技術(shù)的進(jìn)一步提高和成本下降,金剛石的應用范圍和市場(chǎng)將會(huì )迅速擴大,尤其是一旦金剛石半導體研制成功,人類(lèi)將迎來(lái)繼鋼鐵時(shí)代和單晶硅時(shí)代后的更為輝煌的金剛石時(shí)代,現在我們己經(jīng)看到了這個(gè)時(shí)代的黎明曙光。

  1 在醫療中的應用

  1.1 在醫學(xué)測溫技術(shù)領(lǐng)域中的新應用

  科學(xué)家們發(fā)現,金剛石晶體內的單原子雜質(zhì)(通常被一個(gè)氮原子或一個(gè)空位所代替)對于溫度變化非常敏感,這樣的溫度波動(dòng)對于保持量子比特來(lái)說(shuō)可能是一種技術(shù)障礙,而將之用于醫學(xué)領(lǐng)域的生物體溫度測量卻十分有用。

  在哈佛大學(xué)進(jìn)行的這項研究中,工作者將一個(gè)100nm的金剛石粒子植入人體細胞中,然后用綠色激光照射該金剛石粒子。由于激光改變了雜質(zhì)內電子的自旋狀態(tài),發(fā)射出的綠色激光經(jīng)過(guò)納米金剛石粒子后便變成了紅色激光。激光顏色改變的程度便可以用來(lái)測量人體細胞內的溫度變化。

  這種基于納米金剛石粒子的高精度溫度差測量技術(shù),在醫學(xué)領(lǐng)域可以幫助醫生們區別人體內的致癌細胞并及時(shí)做出醫療診斷,納米金剛石材料的應用前景也因此更為廣闊。

  1.2 納米金剛石用于提高白血病的化療效果

  Daunorubicin(柔毛霉素)是目前常用治療白血病的藥物。該藥物會(huì )讓癌細胞增長(cháng)時(shí)間變慢或停止,并造成大多數癌細胞死亡。然而,它也會(huì )讓白血病細胞對該藥物產(chǎn)生耐藥性,藥物輸入白血病細胞中會(huì )積極排出化學(xué)治療物,包括柔毛霉素。

  新加坡國立大學(xué)和加州大學(xué)的科學(xué)家轉向研究納米金剛石作為解決藥性的一個(gè)選題,以研究納米金剛石可能克服耐藥性的生物學(xué)原理。

  科學(xué)家將柔毛霉素結合至納米金剛石表面,后被引入到白血病細胞內。發(fā)現納米金剛石能把藥物運輸到癌細胞內而不被排出。納米金剛石由于其非入性的大小和獨特的表面特性,可以很容易釋放,而不堵塞血管。

  從事這項研究的周博士說(shuō):使用納米金剛石提供了一個(gè)理想的生物兼容性復合物,且是理想的治療運輸工具,可以增強治療的效果。目前的目標之一就是確定藥物會(huì )很好地被納米金剛石運輸到特定的疾病模型,這將有利于在未來(lái)對病人進(jìn)行的治療。

  對納米金剛石進(jìn)一步系統研究和安全性評估,將有望實(shí)現它能完全投入使用,并希望研究工作能應用至臨床中治療白血病,不會(huì )出現柔毛霉素治療的情況。

  美國食品與藥品管理局(FDA)已經(jīng)通過(guò)了納米注射混懸液(Abraxane)研究成果,這將有助于加速研制出新型的治療癌癥的納米治療藥物和成像技術(shù)。

  1.3 使用納米金剛石輸送腦瘤化療藥物

  加州大學(xué)瓊森綜合癌癥中心的研究人員研發(fā)出一種創(chuàng )新性藥物輸送系統,利用納米金剛石的微小顆粒來(lái)輸送化療藥物,且達腦部腫瘤處。該新型治療方法能有效地殺死癌細胞,與現有治療方法相比,副作用發(fā)生幾率極低

  阿霉素是一種常見(jiàn)的化療劑。直接注射進(jìn)腫瘤處時(shí),擔當藥物來(lái)治療腫瘤。加州大學(xué)牙科學(xué)院迪安·何讓阿霉素分子附在納米金剛石表面,創(chuàng )造出一種化合物ND-DOX。

  研究發(fā)現,腫瘤的ND-DOX水一直保持穩定超過(guò)單獨注射阿霉素,顯示出附著(zhù)在納米金剛石上的阿霉素進(jìn)入到腫瘤中且保留時(shí)間更長(cháng)。還發(fā)現,ND -DOX能增加癌細胞的死亡,且減少神經(jīng)膠質(zhì)瘤細胞存活性。

  研究笫一次顯示出ND-DOX運輸有限量的阿霉素,分散在腫瘤外部。這一運輸方式減少了毒副作用,并確保藥物在腫瘤處的時(shí)間更長(cháng),增加藥物殺死腫瘤的有效性,而不影響周邊的組織。

  2 在微電子機械系統中的應用

  金剛石的熱導率和電阻率是所有物質(zhì)中最高的,利用金剛石的這些特性,在電子元器件材料表面沉積納米金剛石薄膜,可以大大縮小原來(lái)元件中用于散熱的部件尺寸,這不僅解決了導熱問(wèn)題,而且也提供了制作超大規模集成電路的可能。膜層對導體也起到了絕緣保護的作用,避免了元件之間的相互干擾。

  阿貢國家實(shí)驗室開(kāi)發(fā)的超納米金剛石(UNCD)薄膜及ADT(Advanced Diamond Technologies Inc.)有關(guān)產(chǎn)品可以用來(lái)制備MEMS/NEMS器件。例如射頻振蕩器、加速度計、AFM探針、微電機。

  3 光學(xué)性能的應用

  3.1 導彈紅外視窗

  比較常用的紅外窗口材料有ZnS和ZnSe。這兩種材料雖然有很好的紅外線(xiàn)透過(guò)能力,但其物理特性比較脆弱,容易受損傷。而在軍事和非常規用途上,對紅外窗口的要求非常嚴格。這些設備經(jīng)常工作在非常惡劣的條件下,例如,用于導彈的紅外窗口在導彈發(fā)射后,不但運行于高速狀態(tài),同時(shí)還要經(jīng)受風(fēng)沙雨雪考驗。金剛石膜是一種優(yōu)質(zhì)的表面材料,金剛石具有紅外增透特性,同時(shí)金剛石膜又是作為紅外窗口的一種良好的減反射膜材料。此外,金剛石的高導熱、耐磨等特性,也可以很好地保護紅外窗口免受外界沖擊。因此,在紅外窗口表面鍍金剛石膜,完全解決了軍工航天領(lǐng)域對紅外窗口應用的各種問(wèn)題。

  美國洛克希德導彈和空間公司,已采用低壓氣相合成的金剛石膜制造大氣動(dòng)能武器導彈攔截器的窗口,在硅片上雙面鍍金剛石膜,可增加透光率26%,該窗口可承受?chē)揽岬母咚亠w行,而不會(huì )產(chǎn)生由于飛行-光學(xué)效應引起的窗口發(fā)射。

  3.2 用于光學(xué)數據存儲的新型金剛石透鏡

  從1985年開(kāi)始,壓縮盤(pán)和CD就成了標準的音樂(lè )、數碼相機、計算機數據和游戲的存儲介質(zhì),由于對存儲盤(pán)的存儲能力要求不斷增加,未來(lái)一代的光學(xué)媒介需要有較高的存儲能力。這種趨勢在DVD和它的后續產(chǎn)品Blu-Ray(藍光雷射)盤(pán)上就已顯現出來(lái)。金剛石透鏡是下一代存儲技術(shù)的核心部件,它的存儲能力將能達到每張盤(pán)1TB(1000GB)以上。

  提高數據存儲密度的關(guān)鍵,是能制造出能利用短波來(lái)工作的小透鏡。通過(guò)技術(shù)上的改進(jìn)來(lái)增加盤(pán)的存儲容量,即通過(guò)減小激光讀出器的波長(cháng)和增加聚焦透鏡的數字光柵(NA)。這就要獲得高的NA值,所用的材料相當重要,在使用中要有高的折射率和透明度,而金剛石正是適合于這些條件的首選材料。

  元素六公司通過(guò)化學(xué)治汾沉積法獲得的人造金剛石是一種符合需要的理想光學(xué)材料。透鏡生產(chǎn)商取得了一項重要的技術(shù)突破,使透鏡將能存儲大量的數據,以滿(mǎn)足商業(yè)化的需求。這也是金剛石加工技術(shù)在微觀(guān)領(lǐng)域的新進(jìn)展,同時(shí)也是金剛石多功能性的展示。

  3.3 用于隱身材料

  近年來(lái),隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,各種探測手段越來(lái)越先進(jìn),例如,用雷達發(fā)射電磁可以探測飛機,利用紅外探測器也可以發(fā)現放射紅外線(xiàn)物體。當前,世界各國為了適應現代化戰爭的需要,提高在軍事對抗中的實(shí)力,也將隱身技術(shù)作為一個(gè)重要的研究對象,其中隱身材料在隱身技術(shù)中占有重要地位。用少量的納米金剛石懸浮在涂料中,將其噴涂在飛機、坦克、導彈、軍艦上,可以起隱形防腐作用。

  為什么超微粒子,特別是納米粒子對紅外和電磁波有隱身作用呢?主要原因有兩點(diǎn):一方面由于納米微粒尺寸遠小于紅外和雷達波波長(cháng),因此納米微粒材料對這種波長(cháng)的透過(guò)率比常規材料要強得多,這就大大減少了波的反射率,使得紅外探測器和雷達接收到反射信號變得很弱,從而達到隱身的作用;另一方面,納米微粒材料的表面積比常規粗粉大了3~4個(gè)數量級,對紅外光和電磁波的吸收率也比常規材料大得多,這就使得紅外探測器和雷達得到的反射信號強度大大降低,因此很難發(fā)現被探測目標,起到了隱身作用。目前,隱身材料雖在很多方面都有廣闊的應用前景,但當前真正發(fā)揮作用的隱身材料大多使用在航天航空及與軍事有密切關(guān)系的部件上。對于上天的材料有一個(gè)要求是重量輕,在這方面納米材料是有優(yōu)勢的,特別是由輕元素組成的納米材料在航空隱身方面應用十分廣泛。

  4 在檢測器和傳感器中的應用

  負責CMS實(shí)驗的CERN科學(xué)家Anna Dabrowski說(shuō):我們的CMS實(shí)驗室主要依靠人造金剛石的穩定性對大型強子對撞機光束和對撞過(guò)程中產(chǎn)生的粒子進(jìn)行監測。這種基于金剛石技術(shù)的系統,其穩定性對于保護66 000 000通道像素跟蹤的敏感元件有重要作用。(NOVEL MATERIAS:Synthetic diamond offers much more than heat sinking)

  除粒子檢測外,這方面的應用還有:

  利用帶有氮空位中心的單晶金剛石研發(fā)微型磁力計并通過(guò)磁場(chǎng)的強度和方向進(jìn)行傳感。

  利用金剛石的惰性和摻硼傳導能力來(lái)生產(chǎn)高度可逆的電化學(xué)傳感器。

  利用兩極電化學(xué)電池中的摻硼金剛石替代腐蝕性液體,減少有害化學(xué)品,實(shí)現環(huán)保型電池的生產(chǎn)。

  5 在聲學(xué)領(lǐng)域中的應用

  5.1 用作制作高保真的聲學(xué)器件

  金剛石具有最高的傳聲速度(C=18.5km/s)和適度的內阻尼因素,用其薄膜制備的振動(dòng)膜具有優(yōu)異的高頻響應特性,而材料的HRF值隨著(zhù)傳聲速度的增加而增加,可達63k Hz。信號噪聲比也隨傳聲速度的增加而增加,而高的號噪聲比才能產(chǎn)生清晰的聲音。由于DF和DLC的HRF較大,屬于最理想的中高音振膜材料,可用來(lái)制造高檔保真(High-Fidility,簡(jiǎn)稱(chēng)Hi-Fi)聲學(xué)器件。

  多晶金剛石涂覆的陶瓷振膜已用做高檔立體聲揚聲器的高頻振膜。國際上DLC涂層振動(dòng)膜已接近商品化,DF振動(dòng)膜與商品化尚有距離。

  5.2 空間探測器“旅行者1號”攜金剛石留聲機針駛離太陽(yáng)系

  近日,美國航天局(NASA)噴氣推進(jìn)實(shí)驗室發(fā)表聲明,于1977年發(fā)射的“旅行者1號”探測器發(fā)回的數據顯示,它已抵達太陽(yáng)系邊緣。

  這個(gè)肩負著(zhù)追尋宇宙文明使命的航天器,最特別之處就是在于它攜帶了一張銅質(zhì)磁盤(pán)唱片,唱片有12英寸厚,鍍金表面,內藏金剛石留聲機針。金剛石具有高的楊氏模量和彈性模量,便于高頻聲學(xué)波高保真傳輸,是做揚聲器高頻振膜最理想的材料。

  一封寫(xiě)給地外文明的“信”也因其獨有的金剛石留聲機針裝置,將有效使用時(shí)間延長(cháng)到了十億年之后。遠離太陽(yáng)系后,“旅行者1號”還將攜帶著(zhù)地球人的問(wèn)候以每秒17公里的速度向銀河系中心駛去。

  5.3 用作射頻微電機及SAW器件的理想材料

  UNCD具有在所有材料中聲速最高、功耗低(Q值高)、頻率溫度系數低以及在高的頻率/功率下的線(xiàn)性頻率響應,使其成為GHz頻段上射頻微機電器件的理想材料。采用UNCD將射頻濾波器和開(kāi)關(guān)與性能微電子直接集成來(lái)達到增強性能,并且能極大地減小器件的尺寸。

  金剛石膜聲表面速度可達到9000~0000m/s,在目前所有材料中最高。因此,用金剛石膜可制造出頻率最高的SAW器件。另外,金剛石的高導熱率使得SAW器件能夠承受更高的功率。日本住友電氣公司在硅基金剛石膜基片SAW器件的制造方面處于世界領(lǐng)先水平。2002年已經(jīng)能夠做到5GHz。

  6 用于磁性錄音系統

  首先,納米金剛石在磁帶和磁盤(pán)的鐵碌磁鍍膜中的應用是作為減磨的添加劑和物理的變性劑;其次,將其添加到電化學(xué)的復合鍍膜中,可改善磁性錄音的穩定性。

  磁性納米微粒由于尺寸小,具有單磁疇結構、矯沛頑力征很高的特性,用它制作磁記錄材料可以提高信噪比,改善圖像質(zhì)量。作為磁記錄單位的磁性粒子的大小必須滿(mǎn)足以下要求:

  (1)顆粒的長(cháng)度應遠遠小于記錄波長(cháng);

  (2)粒子的寬度應該遠小于記錄深度;

  (3)一個(gè)單位的記錄體積中,盡可能有更多的磁性粒子。

  納米金剛石添加到鐵磁層明顯的能減少磁疇(鐵磁體的顆粒),即錄音密度能明顯地增大。

  納米金剛石引入到磁頭潔凈的專(zhuān)用膜中,其耐磨性明顯地增大。

  含有納米金剛石的軟磁信息載體具有以下優(yōu)越性:磁載體層磨損下降、摩擦減少和運轉穩定性提高。

  與純CoP鍍膜比較,CoP-納米金剛石軟磁的非晶膜顯示,顯微硬度增大30%,耐磨性提高3.5倍,摩擦系數減少28.6%,磁頭鐵芯的使用壽命增加1倍。

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