नैनोडायमंड

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पोपिगई प्रभाव संरचना, साइबेरिया, रूस का प्राकृतिक नैनोडायमंड समूह।[1]

नैनोडायमंड या हीरे के अतिसूक्ष्म कण 100 नैनोमीटर से कम आकार वाले हीरे के कण होते हैं जो किसी विस्फोट या उल्कापिंड के प्रभाव जैसी घटनाओं से उत्पन्न हो सकते हैं।[1] बड़े पैमाने पर संश्लेषण, सतह क्रियाशीलता की क्षमता और उच्च जैव अनुकूलता के कारण नैनोडायमंड को जैविक, इलेक्ट्रॉनिक और क्वांटम इंजीनियरिंग के अनुप्रयोगों में एक संभावित धातु के रूप में प्रयोग किया जाता है।[1][2]


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विस्फोट नैनोडायमंड का इलेक्ट्रॉन माइक्रोग्राफ
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कृत्रिम नैनोडायमंड की आंतरिक संरचना।[1]
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विस्फोट नैनोडायमंड का इलेक्ट्रॉन माइक्रोग्राफ

इतिहास

See also: विस्फोट नैनोडायमंड
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कृत्रिम नैनोडायमंड की आंतरिक संरचना।

1963 में केंद्रीय तकनीकी भौतिकी अनुसंधान संस्थान के सोवियत वैज्ञानिकों ने देखा कि नैनोडायमंड परमाणु विस्फोटों द्वारा बनाए गए थे जो कार्बन-आधारित ट्रिगर विस्फोटकों का उपयोग करते थे।[3]

संरचना

नैनोडायमंड की संरचना में तीन मुख्य दृष्टिकोण हैं जिन्हें समग्र आकार, कोर और सतह माना जाता है। कई विवर्तन प्रयोगों के माध्यम से यह निर्धारित किया गया है कि नैनोडायमंड का समग्र आकार या तो गोलाकार या अण्डाकार होता है।[4] नैनोडायमंड के कोर में एक हीरे का पिंजरा होता है जो मुख्य रूप से कार्बन से बना होता है जबकि कोर हीरे की संरचना के लगभग बराबर होता है, नैनोडायमंड की सतह वास्तव में ग्रेफाइट की संरचना से बनी होती है। एक हालिया अध्ययन से पता चलता है कि सतह में मुख्य रूप से कार्बन होते हैं, जिनमें उच्च मात्रा में फिनोल, पायरोन और सल्फोनिक अम्ल होते हैं। हालांकि अपेक्षाकृत कम मात्रा में साथ ही कार्बोक्सिलिक अम्ल समूह, हाइड्रॉक्सिल समूह और एपॉक्साइड समूह भी होते हैं।[5] कभी-कभी नैनोडायमंड की संरचना में नाइट्रोजन-रिक्ति केंद्र जैसे दोष पाए जा सकते हैं। सामान्यतः जो 15n एनएमआर अनुसंधान जैसे दोषों की उपस्थिति की पुष्टि करते है।[6] एक हालिया अध्ययन से यह भी पता चलता है कि नैनोडायमंड के आकार के साथ नाइट्रोजन-रिक्ति केंद्रों की आवृत्ति अपेक्षाकृत कम हो जाती है।[7]

File:"Diamond" Structure.png
चित्र 1: क्लासिक डायमंड संरचना: चार परमाणुओं से भरा टेट्राहेड्रल छिद्रों वाला आयताकार केंद्रित घन
File:Nitrogen-Vacancy Center.PNG
चित्र 2: नाइट्रोजन-रिक्ति केंद्र का दृश्य (A): नीला परमाणु कार्बन परमाणुओं का प्रतिनिधित्व करता है, लाल परमाणु कार्बन परमाणु के स्थान पर नाइट्रोजन परमाणु का प्रतिनिधित्व करता है और पीला परमाणु एक जाली रिक्ति गैस का प्रतिनिधित्व करता है।
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चित्र 3: नाइट्रोजन-रिक्ति केंद्र का दृश्य (B)






निर्माण विधियाँ

File:Graphitic Carbon.png
चित्र 4: ग्रेफाइटिक कार्बन विस्फोट संश्लेषण के उपोत्पाद के रूप में उत्पादित वैन डेर वाल्स पारस्परिक प्रभाव आंशिक रूप से दिखाया गया है।

विस्फोटों के अतिरिक्त संश्लेषण के प्रकारों में हाइड्रोथर्मल संश्लेषण, आयन बमबारी, लेजर बमबारी, माइक्रोवेव प्लाज्मा रासायनिक वाष्प अधिशोषण तकनीक, अल्ट्रासाउंड संश्लेषण और विद्युत रासायनिक संश्लेषण सम्मिलित है।[8][9] इसके अतिरिक्त, उच्च दाब और उच्च तापमान के अंतर्गत ग्रेफाइटिक C3N4 के अपघटन से बड़ी मात्रा में उच्च शुद्धता वाले नैनोडायमंड प्राप्त होते हैं।[10] हालाँकि नैनोडायमंड का विस्फोट संश्लेषण नैनोडायमंड के व्यावसायिक उत्पादन में उद्योग मानक बन गया है। सबसे अधिक उपयोग किया जाने वाला विस्फोटक ट्रिनिट्रोटोलुइन और हेक्सोजेन या ऑक्टोजन का मिश्रण है।[11] विस्फोट प्रायः एक सीलबंद, ऑक्सीजन स्टेनलेस स्टील कक्ष में किया जाता है जिससे 5 एनएम औसत नैनोडायमंड और अन्य ग्रेफाइटिक यौगिकों का मिश्रण प्राप्त होता है।[10] विस्फोट संश्लेषण में नैनोडायमंड के ऑक्सीकरण को अवशोषित करने के लिए ऑक्सीजन की अनुपस्थिति में 15 जीपीए से अधिक दाब और 3000K से अधिक तापमान पर नैनोडायमंड बनते हैं। संश्लेषण मे तीव्रता से ठंडा होने से नैनोडायमंड की उत्पादन क्षमता बढ़ जाती है क्योंकि ऐसी परिस्थितियों में हीरा सबसे स्थिर रहता है।[10] विस्फोट संश्लेषण में गैस-आधारित और तरल-आधारित शीतलक जैसे पानी और आर्गन पानी-आधारित फोम और बर्फ का उपयोग किया जाता है।[10] क्योंकि विस्फोट संश्लेषण के परिणामस्वरूप नैनोडायमंड कणों और अन्य ग्रेफाइटिक कार्बन रूपों का मिश्रण होता है। अशुद्धियों के मिश्रण से छुटकारा पाने के लिए व्यापक विधियों को नियोजित किया जाना आवश्यक होता है। सामान्यतः गैसीय ओजोन अभिक्रिया या विलयन नाइट्रिक अम्ल ऑक्सीकरण का उपयोग (sp2) कार्बन और धातु की अशुद्धियों को दूर करने के लिए किया जाता है।[12] नैनोडायमंड इथेनॉल वाष्प के पृथक्करण और इथेनॉल में अल्ट्राफास्ट लेजर फिलामेंटेशन के माध्यम से बनते हैं।[13]

संभावित अनुप्रयोग

एन-वी केंद्र में हीरे की जालक संरचना के भीतर रिक्त स्थान (परमाणु के अतिरिक्त) में कार्बन परमाणु के स्थान पर एक नाइट्रोजन परमाणु होता है जिसमे एन-वी का उपयोग करके क्वांटम सेंसिंग अनुप्रयोगों में नैनोडायमंड के क्षेत्र में हालिया प्रगति (2019 तक) को निम्नलिखित समीक्षा में संक्षेपित किया गया है।[14][15]

ऐसे एन-वी केंद्र पर माइक्रोवेव स्पंद लगाने से इसके इलेक्ट्रॉन घूर्णन की दिशा मे परिवर्तित हो जाते हैं। ऐसे इलेक्ट्रानों की एक श्रृंखला (वॉल्श डिकॉउलिंग अनुक्रम) को प्रयुक्त करने से वे फिल्टर के रूप में कार्य करने लगते हैं। एक श्रृंखला में इलेक्ट्रानों की संख्या को अलग-अलग करने से घूर्णन की दिशा अलग-अलग परिवर्तित हो जाती है।[15] वे असम्बद्ध कणो को कुशलतापूर्वक वर्णक्रमीय गुणांक से बाहर निकालते हैं जिससे संवेदनशीलता में सुधार होता है।[16] संपूर्ण चुंबकीय क्षेत्र के पुनर्निर्माण के लिए संकेतक तकनीकों का उपयोग किया जाता है।[15]

प्रोटोटाइप में 3 मिमी-व्यास वर्ग के नैनोडायमंड का उपयोग किया गया था लेकिन इस तकनीक को दसियों नैनोमीटर तक अपेक्षाकृत छोटा किया जा सकता है।[15]

सूक्ष्म-अपघर्षक

नैनोडायमंड दृश्यमान हीरे की कठोरता और रासायनिक स्थिरता को साझा करते हैं, जिससे वे अपेक्षाकृत तरल स्नेहक के लिए पॉलिश और इंजन ऑयल जैसे अनुप्रयोगों के लिए उपयोगी बन जाते हैं।





चिकित्सा

नैनोडायमंड के अद्वितीय गुणों के कारण इनमे असंख्य जैविक अनुप्रयोगों में उपयोग किए जाने की क्षमता, जड़ता और कठोरता होती है। नैनोडायमंड पारंपरिक सूक्ष्म धातु का एक अपेक्षाकृत अच्छा विकल्प सिद्ध हो सकता है जो वर्तमान में चिकित्सा, कोट प्रत्यारोपण योग्य धातुओ को ले जाने और बायोसेंसर को संश्लेषित करने के लिए उपयोग किया जाता है।[17] जैव चिकित्सा रोबोट.नैनोडायमंड की कम कोशिका विषाक्तता जैविक रूप से संगत धातु के रूप में उनके उपयोग की पुष्टि करती है।[17]

कोशिकाओं में नैनोडायमंड की खोज करने वाले इनविट्रो अध्ययनों से पता चला है कि अधिकांश नैनोडायमंड प्रतिदीप्ति प्रदर्शित करते हैं और समान रूप से वितरित होते हैं।[18] हीलियम आयनों के साथ हीरे के नैनोक्रिस्टलीय कण को प्रकाशित करके फ्लोरोसेंट नैनोडायमंड कणों का बड़े पैमाने पर उत्पादन किया जा सकता है।[19] फ्लोरोसेंट नैनोडायमंड फोटोस्टेबल रासायनिक रूप से निष्क्रिय होते है सामान्यतः इसमे फ्लोरोसेंट का जीवनकाल बढ़ाया जा सकता है, जिससे यह कई जैविक अनुप्रयोगों के लिए उपयोगी बन सकता है।[20] कई अध्ययनों से पता चला है कि छोटे फोटोल्यूमिनसेंट नैनोडायमंड जो कोशकीय विलयन में मिश्रित रहते हैं और जैविक अणुओं के परिवहन के लिए उत्कृष्ट होते हैं।[21]

इनाविट्रो लक्षण

नाइट्रोजन-रिक्ति दोष वाले नैनोडायमंड का उपयोग कृत्रिम परिवेशीय लक्षणों के लिए अति संवेदनशीलता के रूप में किया जाता है जो ऑटोफ्लोरेसेंस से सिग्नल को अलग करने के लिए उत्सर्जन तीव्रता और आवृत्ति-डोमेन विश्लेषण को नियंत्रित करने के लिए माइक्रोवेव क्षेत्र का उपयोग करते है।[22] रीकॉम्बिनेज़ पोलीमरेज़ एम्प्लीफिकेशन के साथ नैनोडायमंड अपेक्षाकृत कम लागत वाले पार्श्व प्रवाह परीक्षण प्रारूप पर एचआईवी -1 आरएनए की एकल-प्रतिलिपि का पता लगाने में सक्षम होते हैं।

चिकित्सा वितरण

रासायनिक अभिक्रिया मे 5 एनएम आकार के हीरे के नैनोकण एक बड़ी सुलभ और अनुरूप सतह प्रदान करते हैं। उनके पास अद्वितीय प्रकाशीय, यांत्रिक और ऊष्मीय गुण होते हैं और वे सामान्यतः गैर विषैले होते हैं। चिकित्सा वितरण में नैनोडायमंड की क्षमता का प्रदर्शन किया गया है, नैनोडायमंड पर चिकित्सा अवशोषण के मूलभूत तंत्र, ऊष्मागतिकी और कैनेटीक्स को कम समझा गया है। महत्वपूर्ण अवयवों में शुद्धता, सतह रसायन विज्ञान, विस्तार गुणवत्ता, तापमान और आयनिक संरचना सम्मिलित है।

नैनोडायमंड (संलग्न अणुओं के साथ) रक्त-मस्तिष्क बाधा को भेदने में सक्षम होते हैं जो मस्तिष्क को अधिकांश दोषो से अलग करते है। 2013 में डॉक्सोरूबिसिन अणुओं (लोकप्रिय कैंसर औषधि) को नैनोडायमंड सतहों से जोड़ा गया था जिससे चिकित्सा एनडी-डीओएक्स का निर्माण हुआ। परीक्षणों से पता चला कि कैंसर यौगिक को बाहर निकालने में असमर्थ थे, जिससे कैंसर पर प्रभाव डालने की औषधि की क्षमता बढ़ गई और दुष्प्रभाव अपेक्षाकृत कम हो गए थे।

बड़े नैनोडायमंड अपनी "उच्च ग्रहण क्षमता" के कारण कोशिकीय कण के रूप में कार्य करने की क्षमता रखते हैं।[21] अध्ययनों से निष्कर्ष निकाला गया है कि हीरे के नैनोकण कार्बन नैनोट्यूब के समान होते हैं और सर्फेक्टेंट के साथ उपयोग करने पर विलयन में कार्बन नैनोट्यूब और नैनोडायमंड दोनों की स्थिरता और जैव-अनुकूलता अपेक्षाकृत बढ़ जाती है।[18] इसके अतिरिक्त, छोटे व्यास के नैनोडायमंड को सतह पर क्रियाशील करने की क्षमता नैनोडायमंड को संभावित रूप से कम कोशिका विषाक्तता के साथ बायोलेबल के रूप में उपयोग करने की विभिन्न संभावनाएं प्रदान करते हैं।[18]

कैटलिसिस (उत्प्रेरक)

कणों के आकार को अपेक्षाकृत कम करने और उनकी सतहों को क्रियाशील बनाने के लिए सतह-संशोधित नैनोडायमंड को प्रोटीन वितरित करने की स्वीकृति दी जाती है [18] जो पारंपरिक उत्प्रेरक का विकल्प प्रदान कर सकते हैं।[23]

त्वचा संरक्षण

नैनोडायमंड मानव त्वचा द्वारा अच्छी तरह से अवशोषित होते हैं। वे त्वचा संरक्षण उत्पादों में त्वचा की तुलना में अधिक धातु को अवशोषित करते हैं। इस प्रकार वे अधिक अवयवों को त्वचा की परतों में मिश्रण का कारण बनते हैं। नैनोडायमंड पानी के साथ जटिल बंध भी बनाते हैं, जिससे त्वचा को हाइड्रेट करने में सहायता प्राप्त होती है।

सर्जरी (शल्य चिकित्सा)

जबड़े और दांत के ऑपरेशन के समय डॉक्टर सामान्यतः प्रभावित क्षेत्र के पास हड्डी-विकास उत्तेजक प्रोटीन युक्त स्पंज चिपकाने के लिए आक्रामक शल्य चिकित्सा का उपयोग करते हैं। हालाँकि, नैनोडायमंड हड्डी मॉर्फोजेनेटिक प्रोटीन और फ़ाइब्रोब्लास्ट वृद्धि कारक दोनों से बंधते हैं जो हड्डी और कार्टिलेज दोनों को पुनर्निर्माण के लिए प्रोत्साहित करते हैं और मौखिक रूप से वितरित किए जा सकते हैं। नैनोडायमंड को रूट कैनाल थेरेपी में 'गुट्टा पर्चा' में भी सफलतापूर्वक सम्मिलित किया गया है।[24]

रक्त परीक्षण

दोषपूर्ण नैनोडायमंड बाहरी क्षेत्रों में इलेक्ट्रॉन स्पिन के अभिविन्यास को माप सकते हैं और इस प्रकार उनकी क्षमता को भी माप सकते हैं। वे हीरे की सतह पर फ़ेरिटिन प्रोटीन को स्थिर वैद्युत विक्षेप रूप से अवशोषित कर सकते हैं जहां उनकी संख्या सामान्यतः मापी जा सकती है और साथ ही प्रोटीन बनाने वाले परमाणुओं (लगभग 4,500) की संख्या भी मापी जा सकती है।

इलेक्ट्रोनिक और सेंसर

सेंसर

नैनोडायमंड में प्राकृतिक रूप से होने वाले दोष, जिन्हें नाइट्रोजन-रिक्ति (एन-वी) केंद्र कहा जाता है। इसका उपयोग दुर्बल चुंबकीय क्षेत्रों में समय के साथ होने वाले परिवर्तनों को मापने के लिए किया जाता है और उसी प्रकार जैसे एक कंपास पृथ्वी के चुंबकीय क्षेत्र के साथ करता है। पाओला कैपेलारो का कहना है कि सेंसर का उपयोग कमरे के तापमान पर किया जा सकता है चूंकि वे पूरी तरह से कार्बन से बने होते हैं। इसलिए उन्हें जीवित कोशिकाओं में बिना किसी हानि के साथ प्रयुक्त किया जा सकता है।[15]

नैनोमैकेनिकल सेंसर और नैनोइलेक्ट्रोमैकेनिकल सिस्टम (एनईएमएस)

हाल के अध्ययनों से पता चला है कि नैनोस्केल हीरे को 9% से अधिक स्थानीय अधिकतम तन्यता तनाव के साथ मोड़ा जा सकता है[25] जिसके अनुरूप अधिकतम तन्यता तनाव 100 गीगापास्कल तक अभिगम्य हो सकता है जो उन्हें उच्च-प्रदर्शन नैनोमैकेनिकल सेंसर और एनईएमएस अनुप्रयोगों के लिए आदर्श बनाता है।

ऑप्टिकल कंप्यूटिंग

नैनोडायमंड ऑप्टिकल कंप्यूटिंग के लिए फोटोनिक मेटामटेरियल का एक विकल्प प्रदान करते हैं। वही एकल-दोष वाले नैनोडायमंड जिनका उपयोग चुंबकीय क्षेत्र को समझने के लिए किया जा सकता है, वे प्रकाश संचरण को सक्षम/बाधित करने के लिए हरे और अवरक्त प्रकाश के संयोजन का भी उपयोग कर सकते हैं, जिससे ट्रांजिस्टर और अन्य तार्किक तत्वों का निर्माण संभव हो सकता है।

क्वांटम कम्प्यूटिंग

एन-वी केंद्रों वाले नैनोडायमंड कमरे के तापमान मे क्वांटम कंप्यूटिंग के लिए अधिकृत आयनों मे एक ठोस-अवस्था के रूप में कार्य कर सकते हैं।

इमेजिंग (प्रतिबिंबन)

नैनोडायमंड फ्लोरोसेंट और मल्टीहार्मोनिक इमेजिंग सिस्टम में गुणवत्ता नियंत्रण उद्देश्यों के लिए एक स्थिर संदर्भ प्रदान करते हैं।[26]

पुरस्कार

  • 2012 आईजी नोबेल शांति पुरस्कार: पुराने रूसी गोला-बारूद को नए हीरों में परिवर्तित करने के लिए एसकेएन कंपनी
  • 2015 में ऑस्ट्रेलिया के मुख्य कार्यकारी कार्यालय (ओसीई), राष्ट्रमंडल वैज्ञानिक और औद्योगिक अनुसंधान संगठन (सीएसआईआरओ) के विज्ञान नेता अमांडा बरनार्ड को अतिसूक्ष्म प्रौद्योगिकी के लिए दूरदर्शिता संस्थानों के फेनमैन पुरस्कार में सैद्धांतिक पुरस्कार प्राप्त हुआ। सैद्धांतिक और कम्प्यूटेशनल प्रकारों का उपयोग करते हुए, अमांडा बर्नार्ड ने कार्बन नैनो संरचना, स्थिरता और विभिन्न परिस्थितियों में गुणों और पारस्परिक प्रभाव को स्थापित करने में आकार की भूमिका की समझ को विकसित किया था जिसके कारण नैनोडायमंड घोषित पुरस्कार उनके कार्य पर केंद्रित है।[27]

यह भी देखें

  • एकत्रित डायमंड नैनोरोड, हीरे का एक नैनो क्रिस्टलीय रूप जिसे नैनोडायमंड या हाइपरडायमंड के रूप में भी जाना जाता है।
  • डेटोनेशन नैनोडायमंड

संदर्भ

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