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郑州晚报:人造钻石的功能化应用

http://www.momo35.com   来源:郑州晚报  日期:2017/03/29

       郑州大学 史迪伟
  
  光彩夺目的钻石其实是经过切磨抛光加工之后的天然金刚石,天然金刚石由于在自然界中比较稀缺,显得特别昂贵。金刚石的形成条件也十分苛刻,是地壳运动过程中的高温高压条件将石墨转变为亚稳态的金刚石而成。金刚石的晶体结构中碳原子的排布方式是由C-C共价键而形成的正四面体结构,且在空间中无限扩展。这种特殊的结构使其成为目前自然界中最硬的物质。高硬度的特性使其在工磨具行业得到广泛应用,但天然钻石稀缺,所以人工合成的技术相当关键。上世纪中叶,郑州磨料磨具磨削研究所的科技人员采用高温高压技术在中国自主研发的六面顶压机中合成出了中国的第一颗人造钻石,也标志着中国开启了一个全新的碳材料时代。
  
  人造钻石问世初期,被广泛应用到磨具的制备过程中。与普通磨具相比,超硬磨具的诞生使工业生产的效率得到大幅度提升。随着研究的深入,金刚石其他的优异特性逐渐被人们熟知。
  
  在室温条件下,人造钻石的热导率是已知矿物中最高的,达到了900~2300W/(m﹒K),是同等条件下铜 (400W/(m﹒K))的2~5倍,高的热导率使人造大单晶钻石有望应用于LED散热材料,而通过与金属材料混合制备出的复合材料有望应用于电子器件封装材料领域。
  
  人造钻石的光学透过性也极佳,尤其是在波段为225 m~25 m的紫外光至红外光区,具有极高的透过性,而且抗辐照损伤性强,有望制备成红外窗口材料。
  
  通过炮轰法合成的纳米人造金刚石,由于生物相容性好、对人体不会产生毒害和致癌诱变,而且金刚石表面活性好,可实现药物的负载,应用于肿瘤和胃肠疾病的治疗有很好的疗效。
  
  另外,通过掺杂的方式还可以改变人造钻石的电学特性,通过硼元素的掺杂可以使人造钻石成为p型半导体,合理控制工艺可使空穴迁移率高达1800 cm2/V·s,是硅材料的4倍,用其制备的电路运行速度更快。在水溶液中该材料具有宽的电化学窗口、低的背景电流、良好的可逆性以及低吸附性等优异的电化学特性,同时机械强度好,耐酸碱腐蚀,制备成电极材料后,在工业废水降解、重金属离子检测和生物传感器等方面有广阔的应用。
  
  人造钻石以其优异的物理化学性能正在被专家学者所关注,随着研究的深入,其在电子、环境、生物、医药等各个领域的应用不断扩大,不愧称作新一代“材料之王”。
 
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