Как выглядит алмаз, представляют, наверное, все. Это красивый прозрачный камешек, который отливает всеми цветами радуги на солнце. Разве можно поверить, что это чудо природы имеет что-то общее с невзрачным графитом? И тем не менее, это так: их объединяет то, из чего они состоят – углерод. Углерод может существовать в различных формах: графит, графен, алмаз, фуллерен и др. Все эти вещества состоят из одних и тех же атомов углерода, отличаясь только их упаковкой. В алмазе каждый атом углерода окружен еще четырьмя такими же атомами. То есть каждый атом углерода находится в центре тетраэдра. В результате получается очень прочная структура, недаром алмаз считается одним из самых твердых минералов, и по шкале твердости Мооса получает 10 баллов.
Структура алмаза
Применение алмазов так же разнообразно, как и его «родственников»: это и медицина, и промышленность, и, конечно же, производство ювелирных изделий. Но человек как существо любознательное нашел еще один способ использования алмазов, но не обычных, а наноалмазов.
Что такое наноалмаз? Как он выглядит? Где его можно найти? А главное, где его можно применить?
Разбираемся по порядку. Итак, наноалмаз – это тот же самый алмаз, состоящий из тех же атомов углерода, которые упакованы точно также, только каждый такой алмаз представляет собой очень маленькую частицу размером порядка 4-6 нм.
А выглядит наноалмаз, в отличие от своего более знаменитого собрата, просто как невзрачный порошок серого цвета. Но чем интересны наноалмазы, какое найдено им применение? В ювелирное изделие такой алмаз не вставишь.
Дело в том, что наноалмазы, хотя и очень похожи на алмазы «обычные», имеют ряд очень интересных особенностей.
Что бы в этом разобраться, давайте вернемся к строению алмаза. Как уже было сказано, в алмазе каждый атом окружен четырьмя атомами углерода, эти четыре атома еще четырьмя и так далее. Но мы кое-что упустили. А что же будет с крайними атомами, которые на поверхности? Им уже нечем быть окруженными. Вот теперь становится понятно, что на поверхности свойства отличаются от свойств внутри алмаза. На поверхности алмаза возникают различные так называемые «нескомпенсированные валентности». Там атомы углерода могут связываться не только друг с другом, а еще и с другими атомами: водородом, кислородом. В результате на поверхности образуются некие группировки атомов – функциональные группы.
У маленькой частички отношение площади поверхности к объему больше, чем у большой. Таким образом, в наноалмазе роль поверхностных атомов и групп значительно возрастает по сравнению с алмазом. Хотя бы уже и поэтому свойства наноалмаза сильно отличаются от свойств алмаза.
Таким образом, наноалмазные частички обладают как свойствами алмаза – прочность, стабильность, – так и приобретают ряд интересных свойств, а именно: их поверхность, благодаря наличию поверхностных групп, можно модифицировать, то есть «пришивать» к их поверхности различные молекулы, например, лекарственные. В итоге наноалмазы с привитыми на их поверхность молекулами могут быть использованы в различных биологических и медицинских исследованиях. Ввиду такого рода применения наноалмазов необходимо иметь различные методики модификации их поверхности.
В настоящее время разработано множество способов модификации наномалмазов. Вот некоторые из них.
Очень перспективным и интересным методом является присоединение молекул к поверхности наноалмаза с помощью солей диазония. Соли диазония – это органические азотсодержащие соединения, обладающие большой реакционной способностью, поэтому они охотно присоединяются к поверхности.
Примеры солей диазония.
Важно подчеркнуть, что после присоединения группировка N-Nуходит в виде азота, и получается, что к поверхности наноалмаза присоединено бензольное кольцо, это кольцо может быть модифицировано необходимым образом. Но «пришивать» таким образом молекулы без бензольного кольца практически невозможно, так как в таком случае соли диазония крайне нестабильны.
Для проведения такого рода реакции поверхность наноалмаза предварительно восстанавливают, то есть делают так, что теперь все атомы углерода на поверхности связаны только с водородом, далее их вводят в реакцию с солями диазония.
Также существует множество способов присоединения различных молекул к окисленной поверхности наноалмаза, то есть когда на поверхности находятся карбоксильные группы (–СООН). Для того, что бы окислить поверхность, наноалмаз необходимо нагревать в смеси кислот (серной и азотной) в течение от нескольких часов до нескольких суток, в зависимости от методики. Далее можно использовать все свойства –СООН групп для присоединения молекул.
Еще одним частым и удобным методом является присоединение различных групп к предварительно хлорированному наноалмазу. То есть на поверхности наноалмаза теперь находятся атомы хлора. Далее эти атомы можно замещать на различные нужные группы.
Зачем же было разработано столько методов модификации поверхности?
Дело в том, что наноалмазы представляют очень большой интерес с точки зрения медицины. В настоящее время большое внимание уделяется разработке методик «адресной доставки» лекарств в организме. Разработка и усовершенствование методов доставки позволит уменьшить концентрацию вводимого вещества, увеличить продолжительность времени нахождения лекарства в наивысшей концентрации, стабилизировать некоторые лекарственные молекулы, а также добиться того, что лекарство будет работать только в определенном органе.
Наноалмазы оказались очень подходящими для данных целей. Во-первых, наноалмазы успешно прошли тесты на биосовместимость. Во-вторых, наноалмазы легко можно модифицировать с помощью методик, описанных выше. В-третьих, наноалмазы могут стабилизировать некоторые молекулы, которые оседают в плазме крови или нестабильны по другим причинам. С помощью пришивки таких молекул к поверхности наноалмаза можно создавать устойчивую суспензию лекарства в плазме крови. Кроме того, разработаны способы визуализации наноалмазов в организме, например, с помощью пришивки флуоресцирующей или радиоактивной метки. Таким образом, можно отследить распределение наноалмазов в организме.
Именно поэтому большинство лабораторных исследований в области наноалмазов связаны с медициной и биологией. К примеру, в Университете Париж-6 ученые исследуют токсичность и транспортировку наноалмазов в живых клетках после привития модельного флуоресцирующего пептида. Цитотоксичность и содержимое клетки были исследованы на клетках яичника китайского хомяка после введения наноалмазов с пришитой флуоресцирующей меткой и после введения свободной метки.
Был разработан путь функционализации наноалмазов пептидами. Суспензии, полученных частиц оказались устойчивыми, по крайней мере, в течение нескольких месяцев. Модифицированные наноалмазы нетоксичны и эффективно проникают внутрь клеток млекопитающих. Хотя четкую локализацию этих наноалмазов необходимо полностью изучить, их проникновение однозначно доказано. А значит, наноалмазы являются многообещающими кандидатами для присоединения биомолекул и доставки их в клетки, более того, функционализированные флуоресцентные наноалмазы позволят изучить перемещения частиц и внутри клетки.
Ученые из Пекинского университета заинтересовались именно биораспределением наноалмазов в различных органах. Установлено, что после внутривенного введения наноалмазов, они преимущественно накопились в печени. Легкие также оказались мишенью для наноалмазов. Анализ печени и легких с помощью спектроскопических методов показывает, что приблизительно 60% было захвачено в печени и 8% в легких через 30 минут после введения. Это соотношение остается неизменным в течение 28 дней после введения инъекции.
В связи с большим интересом, проявляемым к наноалмазам, на первое место выходит разработка методов их синтеза. На настоящий момент известны несколько методов синтеза наночастиц алмаза: получение из природных алмазов физическими методами, с помощью детонационного синтеза, электронно-лучевыми методами и др.
Наиболее широко используется детонационный метод. В ходе данного процесса в специальной камере происходит взрыв тротила и гексогена. В газе, образующемся в условиях взрыва, содержится большое количество углерода, который и образует алмазную фазу. Образование происходит путем конденсации углерода при отрицательном кислородном балансе. Образование именно наноалмазных частиц обусловлено их большой термодинамической стабильностью. В зависимости от условий проведения синтеза, покров поверхности наноалмаза и размер частиц могут существенно различаться, поэтому использование наноалмазов даже одной и той же фирмы не гарантирует одинаковый функциональный состав поверхности. В настоящее время ведутся работы по решению проблем унифицирования поверхности наноалмаза.
