Проект "Кавитационные Наноалмазы с N-V Центрами"
Одной из фундаментальных проблем
современной физической химии является построение модели сильно неравновесных
процессов и выяснение механизмов, приводящих к формированию азот-вакансионных
(NV) центров в наноалмазах. С одной стороны, это обусловлено их уникальными
спектральными свойствами, возможностью управлять состоянием электронного спина
магнитным полем и СВЧ и тем самым влиять на характеристики излучения фотонов.
Таким образом, появляется, пока теоретически, возможность использовать
NV-центры в качестве кубитов в квантовых компьютерах и исследовать с их помощью
особенности работы с квантовыми алгоритмами обработки, защиты и передачи
информации. Биологическая нейтральность наноалмазов позволяет использовать
NV-центры в качестве люминесцентных меток для медицинской диагностики и
контролировать с помощью присоединенных молекулярных маркеров развитие опухолей
на ранних стадиях или наличие специфичных белков-мишеней. С другой стороны,
значительный интерес представляет разработка фундаментальных основ новых
методов синтеза ультрадисперсных фаз различных материалов вообще и легированных
примесями определенной концентрации и структуры наноалмазов, в частности
One of the fundamental problem of modern physical chemistry is modeling of
strongly nonequilibrium process and finding out mechanisms leading to formation
of NV-centers in diamonds. On one hand, the interest to NV-centers formation is
caused by unique spectral properties and possibility to manipulate electron
spin state with magnetic field and VHF thought influence on photon emission
characteristic. Thus, application of NV-centers as cubit in quantum computer and
investigation of the specific way of work with quantum algorithms of
processing, securing and transfer of information become more realistic.
Biocompatibility of nanodiamonds allows to use NV-centers as photoluminescent
markers for medical diagnosis and with help of molecule markers adjusted to control
tumor grow at the initial step or specific target protein. On the other hand,
development of the fundamental base for new methods of synthesis of ultradisperse
phases of different materials in general and impurity-doped nanodiamands in
particular is also in a great interest.
В связи с этим, в ГЕОХИ РАН стал
развиваться подход, предложенный изначально академиком Э.М.Галимовым для
природного кавитационного синтеза зародышей алмазов, при котором высокие
давления и температура достигаются в отдельных точках кимберлитовой трубки -
местах коллапса пузырьков метана. Суть идеи состояла в следующем. При быстром
подъеме флюида, прорывающегося из мантии к поверхности Земли через формируемый
им узкий канал-трещину, возникают резкие перепады внутреннего давления. В
соответствии с уравнением Бернулли давление в движущейся жидкости обратно пропорционально
квадрату скорости. Поэтому в сужении происходит падение давления, приводящее к
возникновению пузырьков растворенного газа. Когда флюид вновь попадает в
расширение, давление восстанавливается и происходит схлопывание пузырьков. При
этом, как показывает расчет, давление может возрастать на несколько порядков.
Давление при схлопывании пузырьков, заполненных углеродсодержащим газом,
оказывается, как показывает расчет, достаточным для синтеза алмаза.
Для экспериментальной проверки
этой гипотезы была создана установка (совместно с группой проф.
Скоробогатского, МВТУ им. Н.Э. Баумана), где для образования кавитации
использовалась трубка Вентури. В качестве рабочего вещества был выбран бензол.
Бензол является маловязкой жидкостью с высоким давлением насыщенного пара при
нормальных условиях и высоким отношением углерода к водороду (С6Н6). В
экспериментальных условиях удалось реализовать режим коллапса кавитирующих
пузырьков близкий к адиабатическому, для чего были подобраны специальные режимы
давления и скорости течения бензола в установке. Экспериментально показано, что
в результате адиабатического схлопывания кавитирующих пузырьков в бензоле
образуются твердые агрегатные образования алмазной природы – кластеры алмазного
вещества размером 1-10 мкм, состоящие из зерен размером 10-30 нм. Присутствие
наноалмазных зерен в агрегатах свидетельствует, что термодинамические условия
внутри пузырьков во время коллапса обеспечивают синтез наноалмазов.
Аналитически и численно было показано, что необходимые параметры
термодинамической стабильности алмаза (минимальные давление 40 кбар,
температура 1000 0С), могут быть обеспечены в условиях адиабатического коллапса
кавитирующих пузырьков. Совместно с группой проф. Кривцова А.М., Институт
проблем машиноведения РАН начались оценки вида потенциалов взаимодействия
кластеров углерода в образующейся смеси газов.
Для достижения основных целей
проекта предполагается продолжение экспериментальных исследований на установке,
воспроизводящей кавитацию при течении углеродосодержащей жидкости с
растворенными азотсодержащими газами и/или жидкостями, численное моделирование
потенциалов взаимодействия кластеров углерода с включением атомов азота,
теоретические расчеты термодинамических потенциалов, неравновесных процессов и
фазовых переходов для промежуточных форм. Программа исследований предполагает
детальную разработку модели кавитационного синтеза наноалмазов с NV-центрами,
сопоставление с экспериментами для кавитации смесей углерод- и азот содержащих
жидкостей (бензол, толуол) и/или газов (аммиак) и результатами численного
моделирования. Реализация модели позволит понять сложные физико-химические
процессы, происходящие в кавитационной полости, существенно расширит
теоретические знания о кавитации и откроет пути ее применения в синтезе
наноалмазов и других перспективных ультрадисперсных материалов.
В 2012 г. планируется анализ
параметров детонационного синтеза наноалмазов, при которых возникают оптически
активные центры в наноалмазах. По результатам анализа планируются
теоретические, численные и экспериментальные исследования кавитационного
процесса в смесях углерод- и азот-содержащих жидкостях, в условиях приводящих к
созданию и близкому к адиабатическому сжатию кавитационных полостей с рабочей
газовой смесью, сопровождающееся синтезом наноалмазов с NV-центрами. Также
предполагается дооснащение экспериментальной установки для проведения синтеза
из смесей выбранных жидкостей и газов в оптимальных режимах по давлению и
температуре.
В 2013 г. планируется
уточнение параметров создаваемой модели в ходе сравнения с результатами
экспериментов, нахождение наиболее оптимальных комбинаций рабочей среды и
режимов процесса для возможных будущих разработок промышленной технологии
синтеза наноалмазов с NV-центрами. Получение потенциалов взаимодействия
кластеров углерода в ходе формирования кристаллической алмазной фазы, вхождения
в нее атомов азота и движения дефектов, уточнение вида и параметров взаимодействия
на основе модели и экспериментальных данных. На основании полученных
потенциалов взаимодействия планируется определение термодинамических и
кинетических величин, влияющих на формирование и свойства ряда иных углеродных
наноструктур (фуллерен, графен), наиболее важных для потенциально интересных
приложений в фармацевтике и производстве новых перспективных материалов. Также
предполагается изучение молекулярного взаимодействия наноалмазов с примесями
других элементов (кремний, никель) как активных центров, эффективно изменяющих
активационные пороги реакций, структуру дефектов, спектры поглощения и
излучения.
