Способ синтеза наноалмазов
Изобретение относится к синтезу наноалмазов для использования в элементах оптической памяти для квантовых компьютеров высокой производительности. Способ включает подготовку углеродсодержащей смеси, ее размещение в камере высокого давления, инициирование в углеродсодержащей смеси интенсивной ударной волны, фильтрацию и сепарацию продуктов синтеза, при этом в качестве углеродсодержащей смеси выбирают смесь на основе предельных углеводородов гомологического ряда алканов с общей формулой CnH2n+2 с числом углеродных атомов 16 и выше, нагревают ее до температуры выше 300 K, пропускают через нее метан под давлением выше 0,1 МПа и формируют в углеродсодержащей смеси импульсный электрический разряд. Изобретение позволяет получать наноалмазы высокой чистоты, в частности без примеси азота, размером от 3 до 10 нм с улучшенными тепло- и электрофизическими свойствами. 1 ил.
Изобретение относится к синтезу наноалмазов для использования в различных областях науки и техники, в частности при разработке элементов оптической памяти для квантовых компьютеров высокой производительности.
Известен детонационный синтез наноалмазов (Верещагин А.Л. Детонационные наноалмазы. БТИ. Алт ГТУ. 2001. С. 177), основанный на уникальной способности атомов углерода соединяться между собой в гигантские молекулы, образуя пространственные структуры с прочными связями при детонации подготовленного углеродсодержащего взрывчатого вещества (ВВ) с отрицательным кислородным балансом в замкнутом объеме в инертной к углероду газовой среде высокого давления.
Недостатком известного технического решения является высокое содержание примеси других химических элементов в наноалмазах, ухудшающих их свойства.
Наиболее близким из известных технических решений предлагаемому способу синтеза наноалмазов является принятый за прототип способ синтеза ультрадисперсных алмазов (патент RU №2556763 C2, МПК B82B 3/00, опубл. 20.07.2015. Бюл. №20), включающий образование плазмы углерода из углеродсодержащего вещества и ее конденсацию охлаждающей жидкостью в условиях кавитации.
Недостатком известного технического решения является повышенное содержание атомов примеси в кристаллах наноалмазов.
Задачей данного изобретения является снижение вероятности попадания инородных атомов примеси, например азота, внутрь кристаллов наноалмаза.
Технический результат реализации изобретения заключается в получении кристаллов наноалмаза высокой чистоты с улучшенными тепло- и электрофизическими свойствами.
Решение поставленной задачи и технический результат достигаются тем, что в способе синтеза наноалмазов, включающем подготовку углеродсодержащей смеси, размещение углеродсодержащей смеси в камере высокого давления, инициирование в углеродсодержащей смеси интенсивной ударной волны, фильтрацию и сепарацию продуктов синтеза, в качестве углеродсодержащей смеси выбирают смесь на основе предельных углеводородов гомологического ряда алканов с общей формулой CnH2n+2 с числом углеродных атомов 16 и выше, нагревают ее до температуры выше 300 K, пропускают через нее метан под давлением выше 0,1 МПа и формируют в углеродсодержащей смеси импульсный электрический разряд.
На фигуре 1 показана принципиальная схема устройств для реализации предлагаемого способа синтеза наноалмазов. Здесь подготовленная углеродсодержащая смесь 1 размещена в камере 2, которая содержит герметичные токовводы 3, средства дренажа 4 с обратным клапаном 5, подогреватель 6 и рубашку охлаждения 7. В нижней части камеры 2 под сетчатым электродом 8 установлена центробежная форсунка 9. Устройство содержит высоковольтный источник 10 и средства коммутации 11.
Предлагаемый способ синтеза наноалмазов работает следующим образом. Подготовленную углеродсодержащую смесь 1 на основе предельных углеводородов гомологического ряда алканов с общей формулой CnH2n+2 с числом углеродных атомов 16 и выше размещают в камере 2, способной выдержать давление в импульсе порядка 100000 МПа. Камера имеет герметичные токовводы 3 для импульсного электропитания электрического разряда от высоковольтного источника. Углеродсодержащую смесь 1 в камеру 2 вводят в жидком состоянии через средства дренажа 4 с обратным клапаном 5.
Перед формированием в углеродсодержащей смеси 1 электрического разряда ее нагревают до температуры выше 300 K и распыляют в ней с помощью центробежной форсунки 9 метан. Затем средствами коммутации 11 подают от высоковольтного источника 10 в камеру 2 электрический импульс, формирующий в жидкости с пузырьками метана мощный электрический разряд, генерирующий интенсивную ударную волну с ее переотражениями от стенок камеры 2 высокого давления. При этом на пике импульсов высокого давления, в условиях находящейся в состоянии сверхкритического флюида, углеродсодержащей смеси 1 атомы углерода высокой плотности и подвижности образуют гигантские углеродные молекулы кристаллов наноалмазов, в которые практически исключено попадание атомов иных химических элементов, ухудшающих тепло- и электрофизические свойства наноалмазов.
В настоящее время завершается разработка технической документации устройства для реализации предложенного способа синтеза наноалмазов.
Реализация предложенного способа синтеза наноалмазов позволит получать кристаллы наноалмазов высокой чистоты размером от 3 до 10 нм с улучшенными тепло- и электрофизическими свойствами.
Способ синтеза наноалмазов, включающий подготовку углеродсодержащей смеси, размещение углеродсодержащей смеси в камере высокого давления, инициирование в углеродсодержащей смеси интенсивной ударной волны, фильтрацию и сепарацию продуктов синтеза, отличающийся тем, что в качестве углеродсодержащей смеси выбирают смесь на основе предельных углеводородов гомологического ряда алканов с общей формулой CnH2n+2, в частности с числом углеродных атомов 16 и выше, нагревают ее до температуры выше 300 K, пропускают через нее метан под давлением выше 0,1 МПа и формируют в углеродсодержащей смеси импульсный электрический разряд.
