ナノダイヤモンド

ナノダイヤモンド、またはダイヤモンドナノ粒子は、 100ナノメートル未満の大きさのダイヤモンドです。^[2]爆発や隕石の衝突などの衝撃イベントによって生成されます。安価で大規模な合成が可能で、表面機能化が可能で、生体適合性が高いため、ナノダイヤモンドは、生物学的および電子的用途や量子工学における潜在的な材料として広く研究されています。^{[3] [4]}

1963年、ソ連の全連邦物理工学研究所の科学者は、ナノダイヤモンドが炭素ベースの起爆薬を使用した核爆発によって生成されたことに気づきました。 ^{[3] [5]}

ダイヤモンドナノ粒子の構造には、全体の形状、コア、表面という3つの主要な側面があります。複数の回折実験により、ダイヤモンドナノ粒子の全体的な形状は球形または楕円形であることが判明しています。ダイヤモンドナノ粒子のコアには、主に炭素で構成されるダイヤモンドケージがあります。^[6]コアはダイヤモンドの構造によく似ていますが、ダイヤモンドナノ粒子の表面は実際にはグラファイトの構造に似ています。最近の研究では、表面は主に炭素で構成されており、フェノール、ピロン、スルホン酸が多く、カルボン酸基、ヒドロキシル基、エポキシド基も少量含まれています。^[7]ダイヤモンドナノ粒子の構造には、窒素空孔中心などの欠陥が見つかることがあります。15N NMR研究により、このような欠陥の存在が確認されています。^[8]最近の研究では、ダイヤモンドナノ粒子のサイズが大きくなるにつれて窒素空孔中心の頻度が減少することが示されている。^[9]

非蛍光または弱蛍光ナノダイヤモンドの爆轟合成は、ナノダイヤモンドの商業生産における業界標準となっている。最も一般的に使用される爆薬は、トリニトロトルエンとヘキソゲンまたはオクトゲンの混合物である。爆轟は密閉された酸素のないステンレス鋼チャンバー内で行われることが多く、平均5nmのナノダイヤモンドと他のグラファイト化合物の混合物が得られる。^[10]爆轟合成では、ダイヤモンドナノ粒子の酸化を防ぐために酸素が存在しない状態で、15GPaを超える圧力と3000Kを超える温度でナノダイヤモンドが形成される。^[10]システムを急速に冷却すると、そのような条件下ではダイヤモンドが最も安定した相のままであるため、ナノダイヤモンドの収量が増える。爆轟合成では、アルゴンと水、水性フォーム、氷などのガスベースおよび液体ベースの冷却剤を使用する。^[10]爆発合成ではナノダイヤモンド粒子と他のグラファイト状炭素形態の混合物が生成されるため、混合物から不純物を取り除くために徹底的な洗浄方法を採用する必要がある。一般的には、ガス状オゾン処理または溶液相硝酸酸化がsp2炭素と金属不純物の除去に利用される。^[10]

爆発以外の製造方法としては、水熱合成、イオン衝撃、レーザー加熱、マイクロ波プラズマ化学蒸着法、超音波合成、^[11]および電気化学合成などがある。^[12]さらに、窒素含有または窒素を含まない炭素前駆体から得られた電子照射立方結晶ダイヤモンドを粉砕することにより、蛍光ナノダイヤモンドを高収率で合成することができる。^[13]別の方法として、高圧高温下でグラファイトC ₃ N ₄を分解する方法があり、これにより大量の高純度ダイヤモンドナノ粒子が得られる。 ^[14]ナノダイヤモンドは、エタノール蒸気の解離によっても形成される。^[15]およびエタノール中の超高速レーザーフィラメント化によっても形成される。^[16]

NV中心欠陥は、ダイヤモンドの格子構造内の空孔（原子の代わりに空の空間）の隣にある炭素原子の代わりに窒素原子で構成されています。^[17 ] NVを使用した量子センシングアプリケーションにおけるナノダイヤモンドの分野における最近の進歩（2019年まで）は、次のレビューにまとめられています。^[18]

このような欠陥にマイクロ波パルスを印加すると、電子スピンの方向が切り替わります。このようなパルスを連続して印加すると（ウォルシュ分離シーケンス）、それらはフィルターとして機能します。一連のパルスの数を変えると、スピン方向が異なる回数切り替わります。^[17]これらは、デコヒーレンスを抑制しながらスペクトル係数を効率的に抽出し、感度を向上させます。^[19] 信号処理技術を使用して磁場全体を再構築しました。^[17]

プロトタイプでは直径3mmの正方形のダイヤモンドが使用されていましたが、この技術では数十ナノメートルまで縮小することができます。^[17]

ナノダイヤモンドは、目に見えるサイズのダイヤモンドと同等の硬度と化学的安定性を備えているため、潤滑性を向上させる研磨剤やエンジンオイル添加剤などの用途に使用できます。^[3]

ダイヤモンドナノ粒子は、無数の生物学的用途に使用される可能性があり、不活性や硬度などの独自の特性により、ナノダイヤモンドは、現在、薬物の運搬、インプラント材料のコーティング、バイオセンサーやバイオメディカルロボットの合成に使用されている従来のナノ材料よりも優れた代替品となる可能性があります。^[20]ダイヤモンドナノ粒子の細胞毒性が低いことは、生物学的に適合した材料としての利用を裏付けています。^[20]

細胞内でのダイヤモンドナノ粒子の分散を調査する試験管内研究では、ほとんどのダイヤモンドナノ粒子が蛍光を発し、均一に分散していることが明らかになっています。 ^[21]蛍光ナノダイヤモンド粒子は、ダイヤモンドナノ結晶にヘリウムイオンを照射することで大量生産できます。^[22]蛍光ナノダイヤモンドは光安定性があり、化学的に不活性で、蛍光寿命が長いため、多くの生物学的用途に最適です。^[23]研究では、細胞質内に自由に留まる小さな光発光ダイヤモンドナノ粒子は、生体分子の輸送に最適な候補であることが示されています。^[24]

窒素空孔欠陥を含むナノダイヤモンドは、マイクロ波場を使用して発光強度を調節し、周波数領域分析を使用して信号を背景の自己蛍光から分離する、体外診断用の超高感度ラベルとして使用されています。^[25]リコンビナーゼポリメラーゼ増幅と組み合わせることで、ナノダイヤモンドは低コストのラテラルフローテスト形式でHIV-1 RNAの単一コピー検出を可能にします。

約 5 nm の大きさのダイヤモンド ナノ粒子は、アクセス可能な大きな表面と調整可能な表面化学特性を備えています。独自の光学的、機械的、熱的特性を持ち、無毒です。薬物送達におけるナノダイヤモンドの可能性は実証されていますが、ナノダイヤモンドへの薬物吸着の基本的なメカニズム、熱力学、および速度論は十分に理解されていません。重要な要素には、純度、表面化学、分散品質、温度、およびイオン組成が含まれます。

分子が付着したナノダイヤモンドは、脳をほとんどの外的刺激から隔離する血液脳関門を通過できます。2013年にドキソルビシン分子（人気の抗がん剤）がナノダイヤモンド表面に結合し、ND-DOXという薬剤が作られました。テストでは、腫瘍がこの化合物を排出できないことが示され、薬剤の腫瘍に対する効果が向上し、副作用が軽減されました。^[3]

より大きなナノダイヤモンドは、その「高い吸収効率」により、細胞ラベルとして機能する可能性があります。^[24]研究では、ダイヤモンドナノ粒子はカーボンナノチューブに似ており、界面活性剤で処理すると、溶液中のカーボンナノチューブとナノダイヤモンドの両方の安定性と生体適合性が大幅に向上すると結論付けられています。^[21]さらに、小径のナノダイヤモンドを表面機能化する能力により、ダイヤモンドナノ粒子を潜在的に低い細胞毒性を持つバイオラベルとして利用するためのさまざまな可能性が生まれます。^[21]

粒子サイズを小さくし、表面を機能化することで^[21]、表面修飾ダイヤモンドナノ粒子がタンパク質を送達できるようになり、従来の触媒の代替品となる可能性があります。^[26]

ナノダイヤモンドは人間の皮膚によく吸収されます。また、皮膚自体よりもスキンケア製品の成分を多く吸収します。そのため、より多くの成分が皮膚のより深い層に浸透します。また、ナノダイヤモンドは水と強い結合を形成し、皮膚の水分補給に役立ちます。^[3]

顎や歯の修復手術では、通常、医師は侵襲的な手術を使用して、骨成長刺激タンパク質を含むスポンジを患部の近くに貼り付けます。しかし、ナノダイヤモンドは骨形成タンパク質と線維芽細胞増殖因子の両方に結合し、どちらも骨と軟骨の再構築を促進し、経口投与できます。^[3]ナノダイヤモンドは、根管治療のガッタパーチャにうまく組み込まれています。^[27]

欠陥ナノダイヤモンドは外部場における電子スピンの向きを測定し、その強度を測定することができます。ダイヤモンド表面にフェリチンタンパク質を静電的に吸着し、その数を直接測定できるほか、タンパク質を構成する鉄原子の数（最大4,500個）も測定できます。^[3]

ナノダイヤモンドに自然に発生する窒素空孔（NV）中心と呼ばれる欠陥は、弱い磁場における経時的な変化を測定するために使用されてきた。これは、地球の磁場を測定するコンパスとよく似ている。センサーは室温で使用でき、完全に炭素で構成されているため、生きた細胞に注入しても害を及ぼさない可能性があるとパオラ・カペラロは述べている。^[17] さらに、ナノダイヤモンドは特定の分析物のセンサーとして利用できる。エネルギー支援（プラズマまたはホットフィラメント、HF）化学蒸着（CVD）プロセスで生成されたホウ素ドープダイヤモンド（BDD）は、ドーパミン検出の良い候補であるが、一部の干渉物質に対して選択的ではない。この問題は、陽極酸化、水素プラズマ、多孔質フォームへのエッチング、炭素ベースのナノマテリアル、ポリマーフィルム、ナノ粒子などのBDD表面改質のための合成後の処理によって克服できる。最近の研究^[28]では、後処理の代わりに基板の前処理（ラッピング、電解研磨、化学エッチング）を通じて、ドーパミンに対する本来の選択性を備えたチタンドープダイヤモンドベース電極を実現するための新しいアプローチが提案されています。さらに、ナノダイヤモンドはポリマーベースのマトリックスのいくつかの電子特性を変更することが証明されています。^[29]システムのイオン伝導率の増加、したがってインピーダンスの減少として要約できるこれらの変更は、ナノダイヤモンド粒子表面の官能基の存在によるものと考えられます。これらの基はポリマー鎖と相互作用し、イオン交換を促進します。

最近の研究では、ナノスケールのダイヤモンドは9%を超える局所最大引張弾性ひずみまで曲げることができ、^[30]対応する最大引張応力は約100ギガパスカルに達することが示されており、高性能ナノメカニカルセンサーやNEMSアプリケーションに最適です。

ナノダイヤモンドは、光コンピューティング用のフォトニックメタマテリアルの代替品を提供します。磁場を感知するために使用できる同じ単一欠陥ナノダイヤモンドは、緑色光と赤外線光の組み合わせを使用して光の透過を有効/無効にすることもでき、トランジスタやその他の論理素子の構築を可能にします。^[3]

NV中心を持つナノダイヤモンドは、室温量子コンピューティングのためのトラップイオンの固体代替品として機能する可能性がある。^[3]

蛍光ナノダイヤモンドは、蛍光および多高調波イメージングシステムにおける品質管理の目的で安定した基準を提供します。 ^[31]

• 2012年イグ・ノーベル平和賞：SKN社、古いロシアの弾薬を新しいダイヤモンドに変えた功績
• 2015年、オーストラリア連邦科学産業研究機構（CSIRO）の最高経営責任者（OCE）の科学リーダーであるアマンダ・バーナードは、フォーサイト研究所のナノテクノロジーに関するファインマン賞の理論賞を受賞した。理論的および計算的手法を使用して、アマンダ・バーナードは、炭素ナノ構造の構造と安定性、およびさまざまな条件下での特性と相互作用を確立する際に形状が果たす役割についての理解を深めた。この賞は、ダイヤモンドナノ粒子（ナノダイヤモンド）に関する研究に焦点を当てて発表された。^[32]

• 集合ダイヤモンドナノロッド、ナノダイヤモンドまたはハイパーダイヤモンドとしても知られるダイヤモンドのナノ結晶形態
• 爆発ナノダイヤモンド
• ナノダイヤモンドによく見られる五重の双晶構造
• 二十面体双晶、ナノダイヤモンドによく見られる構造

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