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從歷史發展來看,在每一個文明的時代,哪一個國家或地區首先掌握了這個時代的標志性技術,就能在國際競爭中一馬當先,大幅度地提高自己的生產發展水平;哪一個國家率先掌握了先進技術,就能在當時的國際競爭格局中取得優勢地位。
金剛石集許多優異性能于一身,除了超硬特性之外,它還具有最高的熱傳導率,優良的光學性能、半導體性能和化學穩定性。今天人造金剛石的應用己經涉及眾多的領域,可以毫不夸張地說,沒有人造金剛石便沒有現代化工業。盡管如此,相對于金剛石的應用潛力而言,到目前為止我們才僅僅開發利用了一小部分,金剛石的應用可以說還處于初級階段。
金剛石在工業和科學技術領域中的應用,概括地說,是用作工程材料和功能材料的。自人造金剛石問世后的半個多世紀里,它主要是用來作為工程材料的,例如制造磨具、鉆探工具、鋸切工具、切削工具等,為工業技術的現代化作出了巨大的貢獻,半個多世紀過去了,我們認為這僅僅是其應用開發本義的冰山一角,更精彩誘人的應用前景還在后頭。
功能材料是指那些具有可用于工業和技術中的有關物理和化學功能,如光、電、磁、聲、熱等特殊性能的各種材料,包括電功能材料、磁功能材料、光功能材料、超導材料、智能材料、儲氫材料、生物材料、醫學材料、組織工程材料、納米藥物載體、功能膜等。
金剛石膜是上世紀70年代發展起來的一種全新的金剛石產品。由于它突破了以靜壓法為代表的傳統人造金剛石在尺寸上的限制,使得金剛石的光學、熱學、電子學方面的優異性能得以利用。
隨著大單晶金剛石合成技術的進一步提高和成本下降,金剛石的應用范圍和市場將會迅速擴大,尤其是一旦金剛石半導體研制成功,人類將迎來繼鋼鐵時代和單晶硅時代后的更為輝煌的金剛石時代,現在我們己經看到了這個時代的黎明曙光。
1 在醫療中的應用
1.1 在醫學測溫技術領域中的新應用
科學家們發現,金剛石晶體內的單原子雜質(通常被一個氮原子或一個空位所代替)對于溫度變化非常敏感,這樣的溫度波動對于保持量子比特來說可能是一種技術障礙,而將之用于醫學領域的生物體溫度測量卻十分有用。
在哈佛大學進行的這項研究中,工作者將一個100nm的金剛石粒子植入人體細胞中,然后用綠色激光照射該金剛石粒子。由于激光改變了雜質內電子的自旋狀態,發射出的綠色激光經過納米金剛石粒子后便變成了紅色激光。激光顏色改變的程度便可以用來測量人體細胞內的溫度變化。
這種基于納米金剛石粒子的高精度溫度差測量技術,在醫學領域可以幫助醫生們區別人體內的致癌細胞并及時做出醫療診斷,納米金剛石材料的應用前景也因此更為廣闊。
1.2 納米金剛石用于提高白血病的化療效果
Daunorubicin(柔毛霉素)是目前常用治療白血病的藥物。該藥物會讓癌細胞增長時間變慢或停止,并造成大多數癌細胞死亡。然而,它也會讓白血病細胞對該藥物產生耐藥性,藥物輸入白血病細胞中會積極排出化學治療物,包括柔毛霉素。
新加坡國立大學和加州大學的科學家轉向研究納米金剛石作為解決藥性的一個選題,以研究納米金剛石可能克服耐藥性的生物學原理。
科學家將柔毛霉素結合至納米金剛石表面,后被引入到白血病細胞內。發現納米金剛石能把藥物運輸到癌細胞內而不被排出。納米金剛石由于其非入性的大小和獨特的表面特性,可以很容易釋放,而不堵塞血管。
從事這項研究的周博士說:使用納米金剛石提供了一個理想的生物兼容性復合物,且是理想的治療運輸工具,可以增強治療的效果。目前的目標之一就是確定藥物會很好地被納米金剛石運輸到特定的疾病模型,這將有利于在未來對病人進行的治療。
對納米金剛石進一步系統研究和安全性評估,將有望實現它能完全投入使用,并希望研究工作能應用至臨床中治療白血病,不會出現柔毛霉素治療的情況。
美國食品與藥品管理局(FDA)已經通過了納米注射混懸液(Abraxane)研究成果,這將有助于加速研制出新型的治療癌癥的納米治療藥物和成像技術。
1.3 使用納米金剛石輸送腦瘤化療藥物
加州大學瓊森綜合癌癥中心的研究人員研發出一種創新性藥物輸送系統,利用納米金剛石的微小顆粒來輸送化療藥物,且達腦部腫瘤處。該新型治療方法能有效地殺死癌細胞,與現有治療方法相比,副作用發生幾率極低
阿霉素是一種常見的化療劑。直接注射進腫瘤處時,擔當藥物來治療腫瘤。加州大學牙科學院迪安·何讓阿霉素分子附在納米金剛石表面,創造出一種化合物ND-DOX。
研究發現,腫瘤的ND-DOX水一直保持穩定超過單獨注射阿霉素,顯示出附著在納米金剛石上的阿霉素進入到腫瘤中且保留時間更長。還發現,ND -DOX能增加癌細胞的死亡,且減少神經膠質瘤細胞存活性。
研究笫一次顯示出ND-DOX運輸有限量的阿霉素,分散在腫瘤外部。這一運輸方式減少了毒副作用,并確保藥物在腫瘤處的時間更長,增加藥物殺死腫瘤的有效性,而不影響周邊的組織。
2 在微電子機械系統中的應用
金剛石的熱導率和電阻率是所有物質中最高的,利用金剛石的這些特性,在電子元器件材料表面沉積納米金剛石薄膜,可以大大縮小原來元件中用于散熱的部件尺寸,這不僅解決了導熱問題,而且也提供了制作超大規模集成電路的可能。膜層對導體也起到了絕緣保護的作用,避免了元件之間的相互干擾。
阿貢國家實驗室開發的超納米金剛石(UNCD)薄膜及ADT(Advanced Diamond Technologies Inc.)有關產品可以用來制備MEMS/NEMS器件。例如射頻振蕩器、加速度計、AFM探針、微電機。
3 光學性能的應用
3.1 導彈紅外視窗
比較常用的紅外窗口材料有ZnS和ZnSe。這兩種材料雖然有很好的紅外線透過能力,但其物理特性比較脆弱,容易受損傷。而在軍事和非常規用途上,對紅外窗口的要求非常嚴格。這些設備經常工作在非常惡劣的條件下,例如,用于導彈的紅外窗口在導彈發射后,不但運行于高速狀態,同時還要經受風沙雨雪考驗。金剛石膜是一種優質的表面材料,金剛石具有紅外增透特性,同時金剛石膜又是作為紅外窗口的一種良好的減反射膜材料。此外,金剛石的高導熱、耐磨等特性,也可以很好地保護紅外窗口免受外界沖擊。因此,在紅外窗口表面鍍金剛石膜,完全解決了軍工航天領域對紅外窗口應用的各種問題。
美國洛克希德導彈和空間公司,已采用低壓氣相合成的金剛石膜制造大氣動能武器導彈攔截器的窗口,在硅片上雙面鍍金剛石膜,可增加透光率26%,該窗口可承受嚴酷的高速飛行,而不會產生由于飛行-光學效應引起的窗口發射。
3.2 用于光學數據存儲的新型金剛石透鏡
從1985年開始,壓縮盤和CD就成了標準的音樂、數碼相機、計算機數據和游戲的存儲介質,由于對存儲盤的存儲能力要求不斷增加,未來一代的光學媒介需要有較高的存儲能力。這種趨勢在DVD和它的后續產品Blu-Ray(藍光雷射)盤上就已顯現出來。金剛石透鏡是下一代存儲技術的核心部件,它的存儲能力將能達到每張盤1TB(1000GB)以上。
提高數據存儲密度的關鍵,是能制造出能利用短波來工作的小透鏡。通過技術上的改進來增加盤的存儲容量,即通過減小激光讀出器的波長和增加聚焦透鏡的數字光柵(NA)。這就要獲得高的NA值,所用的材料相當重要,在使用中要有高的折射率和透明度,而金剛石正是適合于這些條件的首選材料。
元素六公司通過化學治汾沉積法獲得的人造金剛石是一種符合需要的理想光學材料。透鏡生產商取得了一項重要的技術突破,使透鏡將能存儲大量的數據,以滿足商業化的需求。這也是金剛石加工技術在微觀領域的新進展,同時也是金剛石多功能性的展示。
3.3 用于隱身材料
近年來,隨著科學技術的發展,各種探測手段越來越先進,例如,用雷達發射電磁可以探測飛機,利用紅外探測器也可以發現放射紅外線物體。當前,世界各國為了適應現代化戰爭的需要,提高在軍事對抗中的實力,也將隱身技術作為一個重要的研究對象,其中隱身材料在隱身技術中占有重要地位。用少量的納米金剛石懸浮在涂料中,將其噴涂在飛機、坦克、導彈、軍艦上,可以起隱形防腐作用。
為什么超微粒子,特別是納米粒子對紅外和電磁波有隱身作用呢?主要原因有兩點:一方面由于納米微粒尺寸遠小于紅外和雷達波波長,因此納米微粒材料對這種波長的透過率比常規材料要強得多,這就大大減少了波的反射率,使得紅外探測器和雷達接收到反射信號變得很弱,從而達到隱身的作用;另一方面,納米微粒材料的表面積比常規粗粉大了3～4個數量級,對紅外光和電磁波的吸收率也比常規材料大得多,這就使得紅外探測器和雷達得到的反射信號強度大大降低,因此很難發現被探測目標,起到了隱身作用。目前,隱身材料雖在很多方面都有廣闊的應用前景,但當前真正發揮作用的隱身材料大多使用在航天航空及與軍事有密切關系的部件上。對于上天的材料有一個要求是重量輕,在這方面納米材料是有優勢的,特別是由輕元素組成的納米材料在航空隱身方面應用十分廣泛。
4 在檢測器和傳感器中的應用
負責CMS實驗的CERN科學家Anna Dabrowski說:我們的CMS實驗室主要依靠人造金剛石的穩定性對大型強子對撞機光束和對撞過程中產生的粒子進行監測。這種基于金剛石技術的系統,其穩定性對于保護66 000 000通道像素跟蹤的敏感元件有重要作用。(NOVEL MATERIAS:Synthetic diamond offers much more than heat sinking)
除粒子檢測外,這方面的應用還有:
利用帶有氮空位中心的單晶金剛石研發微型磁力計并通過磁場的強度和方向進行傳感。
利用金剛石的惰性和摻硼傳導能力來生產高度可逆的電化學傳感器。
利用兩極電化學電池中的摻硼金剛石替代腐蝕性液體,減少有害化學品,實現環保型電池的生產。
5 在聲學領域中的應用
5.1 用作制作高保真的聲學器件
金剛石具有最高的傳聲速度(C=18.5km/s)和適度的內阻尼因素,用其薄膜制備的振動膜具有優異的高頻響應特性,而材料的HRF值隨著傳聲速度的增加而增加,可達63k Hz。信號噪聲比也隨傳聲速度的增加而增加,而高的號噪聲比才能產生清晰的聲音。由于DF和DLC的HRF較大,屬于最理想的中高音振膜材料,可用來制造高檔保真(High-Fidility,簡稱Hi-Fi)聲學器件。
多晶金剛石涂覆的陶瓷振膜已用做高檔立體聲揚聲器的高頻振膜。國際上DLC涂層振動膜已接近商品化,DF振動膜與商品化尚有距離。
5.2 空間探測器“旅行者1號”攜金剛石留聲機針駛離太陽系
近日,美國航天局(NASA)噴氣推進實驗室發表聲明,于1977年發射的“旅行者1號”探測器發回的數據顯示,它已抵達太陽系邊緣。
這個肩負著追尋宇宙文明使命的航天器,最特別之處就是在于它攜帶了一張銅質磁盤唱片,唱片有12英寸厚,鍍金表面,內藏金剛石留聲機針。金剛石具有高的楊氏模量和彈性模量,便于高頻聲學波高保真傳輸,是做揚聲器高頻振膜最理想的材料。
一封寫給地外文明的“信”也因其獨有的金剛石留聲機針裝置,將有效使用時間延長到了十億年之后。遠離太陽系后,“旅行者1號”還將攜帶著地球人的問候以每秒17公里的速度向銀河系中心駛去。
5.3 用作射頻微電機及SAW器件的理想材料
UNCD具有在所有材料中聲速最高、功耗低(Q值高)、頻率溫度系數低以及在高的頻率/功率下的線性頻率響應,使其成為GHz頻段上射頻微機電器件的理想材料。采用UNCD將射頻濾波器和開關與性能微電子直接集成來達到增強性能,并且能極大地減小器件的尺寸。
金剛石膜聲表面速度可達到9000～0000m/s,在目前所有材料中最高。因此,用金剛石膜可制造出頻率最高的SAW器件。另外,金剛石的高導熱率使得SAW器件能夠承受更高的功率。日本住友電氣公司在硅基金剛石膜基片SAW器件的制造方面處于世界領先水平。2002年已經能夠做到5GHz。
6 用于磁性錄音系統
首先,納米金剛石在磁帶和磁盤的鐵碌磁鍍膜中的應用是作為減磨的添加劑和物理的變性劑;其次,將其添加到電化學的復合鍍膜中,可改善磁性錄音的穩定性。
磁性納米微粒由于尺寸小,具有單磁疇結構、矯沛頑力征很高的特性,用它制作磁記錄材料可以提高信噪比,改善圖像質量。作為磁記錄單位的磁性粒子的大小必須滿足以下要求:
(1)顆粒的長度應遠遠小于記錄波長;
(2)粒子的寬度應該遠小于記錄深度;
(3)一個單位的記錄體積中,盡可能有更多的磁性粒子。
納米金剛石添加到鐵磁層明顯的能減少磁疇(鐵磁體的顆粒),即錄音密度能明顯地增大。
納米金剛石引入到磁頭潔凈的專用膜中,其耐磨性明顯地增大。
含有納米金剛石的軟磁信息載體具有以下優越性:磁載體層磨損下降、摩擦減少和運轉穩定性提高。
與純CoP鍍膜比較,CoP-納米金剛石軟磁的非晶膜顯示,顯微硬度增大30%,耐磨性提高3.5倍,摩擦系數減少28.6%,磁頭鐵芯的使用壽命增加1倍。
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