KR20090015017A - 나노 다이아몬드 및 그 제조방법 - Google Patents

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발레리 유리예비치 돌마토프
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Abstract

본 발명은 탄소화학과 관련이 있고 질량%로 탄소 90.2-98.0; 수소 0.1-5.0; 질소 1.5-3.0; 산소 0.1-4.5를 포함하는 나노다이아몬드에 관한 것이다. 탄소는 다이아몬드 입방체 변형체 형태 및 X-선 비결정질상으로 있는데, 그 비율은 탄소 질량%로 (82-95) : (18-5)이다. 탄소에 비활성인 기체 매질의 패쇄 공간에서 폭연하는 것에 의해 나노 다이아몬드를 추출한다. 매질에서 음의 산소 밸런스의 탄소포함 폭약 혼합물은 환원제를 포함하는 응축상 덮개 내에 들어 있다. 탄소포함 폭약 혼합물 질량 대비 응축상 환원제의 질량은 0.01: 1 이상이다. 화학 정제는 2-40%- 질산 수용액을 5-15 MPa 압력하에서 압축공기의 산소와 더불어 폭연하는 것에 의해 달성된다.
탄소, 나노다이아몬드, 폭발, 변형체, 비결정질상, 환원제

Description

나노 다이아몬드 및 그 제조방법{NANODIAMOND AND A METHOD FOR THE PRODUCTION THEREOF}
본 발명은 탄소무기화학과 관련이 있다. 즉 탄소를 초 강체성의 다이아몬드-나노다이아몬드로 변태시키는 기술이다. 탄소포함 폭약 혼합물의 폭연 합성에서 화학방법으로 나노다이아몬드를 추출한다.
탄소포함 폭연 혼합물들 중 서로 다른 상태로 탄소를 포함하고 있는 다양한 합성물이 잘 알려져 있다.
나노다이아몬드는 자체 존재를 유지케 하는 특별 매질에서 음의 산소 밸런스의 탄소포함물을 폭연시킬 때 발생한다.
나노다이아몬드는 2에서 20 nm 치수의 입자로 되어 있지만 통상 보다 큰 입자 집단으로 응집되어 있다. 나노치수로 볼 때 나노다이아몬드는 아주 높은 분산도, 그리고 입자 표면구조의 결함(defect)을 갖고 있다. 그 결과, 활성 표면을 보유한다. 나노다이아몬드 추출 조건에 따라 이 특성은 다양하게 가변될 수 있다.
탄소화학을 전공하는 전문가들은 20여 년 전부터 시작하여 천연다이아몬드를 방불케하는 나노다이아몬드 합성물을 발견했고 추출방법도 고안해냈다. 합성물 조성 비율은 탄소 ~72-90%, 수소 ~0.6-1.5%, 질소 ~1.0-4.5%, 그리고 산소 ~4-25%이 다. (참고자료 볼코프, 다닐렌코, 엘린, '폭발 탄소 재료에서의 다이아몬드 합성', 연소 및 폭파물리, 1990, v.26, N3, p.123-125, 람킨, 페트로프, 에르쇼프 등 '폭발 재료에서 다이아몬드 얻기', 소련 과학원 1988, vol.302, p.611-613, Greiner N.R., Phillips D.S., Johnson F.J.D., 'Diamonds in detonation soot', Nature, 1988, vol.333, p.440-442; 페트로프, 사코비치, 브릴랴코프, '다이아몬드를 기폭적인 조건에서 얻을 때의 보존', 소련 과학원, 1990, vol.313, N4, p.862-864; 돌마토프, '기폭합성분산 다이아몬드', 화학의 성공, 2001, vol,70(7), p.687-708; 돌마토프, '기폭합성분산 다이아몬드', 상트 페테르부르크 국립공학대학, 2003, 344 페이지).
전통적인 나노다이아몬드의 특성은 완전히 개시되어 있다. (Dolmatov V. U., '기폭 합성분산 다이아몬드: 특질과 적용', 화학의 성공, 2001년, 70(7)권, 687-708 페이지; Dolmatov V. U., '기폭합성분산 다이아몬드' 상트 페테르부르크, SPbGPU, 2003년, 344 페이지; EP 1288162 A2)
기 전문가들은 응축 탄소(condensed carbon)(이하, cc)를 잘 알고 있다. 이것은 서로 다른 상태의 탄소를 포함하고 있는 탄소합성물이다. 입방체 다이아몬드상(phase)으로 탄소를 포함하고 있거나 포함하지 않거나 관계없이 탄소포함 폭발 혼합물의 폭발 조건에 따라 변형체가 서로 상이하다.
본 응축된 탄소는, 탄소함유 산소결핍의 균형 폭발 재료를 응축된 탄소의 실체를 보존할 수 있는 조건에서 기폭하면 얻을 수 있다(Lyamkin A. I., Petrov E. A., Ershov A.P. 등. '폭발 재료에서 다이아몬드 얻기' DAN 소련 1988년 302권, 611-613 페이지; Greiner N.R., Phillips D.S., Johnson F.J.D. 'Diamonds in detonation soot', Nature, 1988, vol. 333, p.440-442; Petrov V. A., Sakovich G. V., Brilyakov P. M. '다이아몬드를 기폭적인 조건에서 얻을 때의 보존', DAN 소련, 1990년, 313권, #4, 862-864 페이지; Dolmatov V. U., '기폭 합성분산 다이아몬드: 특질과 적용', 화학의 성공, 2001년, 70(7)권, 687-708 페이지; Dolmatov V. U., '기폭합성분산 다이아몬드' 상트 페테르부르크, SPbGPU, 2003년, 344 페이지)
cc는 다양한 매질에서 탄소포함 폭발물 충전물을 폭발할 때 얻을 수 있다. 예를 들면:
- 탄소에 비활성인 기체, 예를 들어 질소 환경, 탄산가스 환경, 이전 폭발물의 산물인 기체물질 환경(US 5,916,955, C1);
- 물거품 환경(Petrov V. A., Sakovich G. V., Brilyakov P. M., '다이아몬드를 기폭적인 조건에서 얻을 때의 보존', 소련 과학원, 1990년, 313권, #4, 862-864 페이지);
- 기폭약에 물을 뿌릴 때 발생하는 환경(RU, 2036835, Cl);
- 물 환경(US, 5353708, Cl);
- 얼음 환경(RU, 2230702, Cl).
현존의 응축 탄소와 다이아몬드의 변형체를 제일 많이 얻는 방법은 탄소를 포함하는 폭발 재료들을 기폭하는 방법 중에서 기폭약을 물 내에서나 얼음 내에서 폭발시키는 방법이다(Dolmatov V. U., '기폭합성 분산 다이아몬드' 상트 페테르부 르크, SPbGPU, 2003년, 344 페이지; RU, 2230702, C).
이렇게 얻어진 응축된 탄소는 특정한 특질과 구조를 갖는 나노분산(nanodispersed)된 탄소 함유 분말이다. 예를 들면, 본 응축 탄소는 높은 분산도 및 큰 비표면(specific surface area)도로 생성된 치밀한 탄소 구조 및 높은 반응성을 갖고 있다.
0.1μ의 직경 이하의, 둥근형과 불규칙형 그룹의 입자로 합성된 다이아몬드-탄소의 재료가 알려져 있다(US5,861,349,A). 본 재료:
a) 원소 구성, 질량%: 탄소 75.0부터 90.0까지, 수소 0.8부터 1.5까지; 질소 0.8부터 4.5까지; 산소 밸런스까지;
b) 상(phase) 구성, 질량 %; 비결정질 탄소 10부터 30까지, 입방체 변형 다이아몬드 밸런스까지;
c) 기공량 0.6 - 1.0 ㎤/gr 을 갖는 재료의 다공성 구성;
d) 10 - 20% 정도까지, 아질산염, 1차 및 2차 히드록실기 재료의 표면. 본 그룹들은 다양한 스펙트럼의 핵자기 자석 공명 범위에서 화학 변화체를 한 개 이상 갖고 있고, 표면의 1-2% 정도 탄소의 원자와 보상되지 않는 관계에 있는 카르보닐기(carbonyl), 카르복실기(carboxyl), 퀴논, 과산화수소기(hydroperoxide)와 락톤(lacton) 그룹 등에서 선택한 하나 이상의 옥시카르복실(oxycarboxyl) 기능기로 되어 있다.
e) 200부터 450 g㎡/gr 까지의 비표면.
상기 재료는 주로 탄소 포함 폭약 혼합물 아니면 음의 산소 밸런스(negative oxygen balance)의 탄소 혼합물을 포함하고 있는 폭발 충전물을 폭발 합성하는 방식으로 제조한다. 그것도 탄소에 대한 비활성 기체, 그리고 용적의 0.1 - 6%까지의 산소로 구성된 매질에서 0.01부터 0.015 kg/m3 농축 탄소입자에 의해 303에서 363 K 까지의 온도에서 기폭 실시된다(US5,861,349,A). 본 방법은 하나 이상의 탄소 포함 고체 폭발물로 구성된 충전물을 갖고 있는 음의 산소 밸런스의 압력실에서 실행된다.
재료 표면의 10-20%에는 메틸-, 니트릴-, 그리고 1차 및 2차의 히드록실기(수산기), 그리고 또 O.dbd.R 공식의 옥시카르복실기 및 관능기 등이 자리 잡고 있고, R- 는 .dbd.COH, .dbd.COOH, .dbd.C이고, 위치는 6H. 위치.4 혹은 여타 조합이 가능하다. 그리고 표면의 1-2% 비보상 연계의 탄소 원자가 자리하고 있다. 파라미터 - 결정 격자 상수 a0 = 0.3562 ± 0.0004 nm, 내화성 혼입물 함량은 질량 %로 0.1에서 5.0까지이다. 상기 재료의 뢴트겐-비결정질 상태는 흑연을 함유하지 않는다.
탄소포함 관능기는 일반적으로 지방족, 지환족, 방향족 화합물 등 다양한 탄소 표면구조에서 파생되는 것들이다. 재료 표면을 락톤(lactone).dbd.COOCO-, 퀴논. О.dbd.С 위치 6H. 위치.4H.dbd.O, 그리고 히드로페록시드.dbd.COOOH처럼 식별했다. 표본 표면의 10 ~ 20%는 산소 포함 표면그룹이 차지했다.
그러나 기 다이아몬드-탄소 재료의 추출방법은 3.1 - 5.1 질량%라는 아주 낮은 생산량을 보여 주고 있다. 그리고 다이아몬드-탄소 재료에 있어서 아주 중요한 요소인 탄소함량이 낮으므로 높은 품질의 높은 효율성의 재료를 얻어내지 못한다. 이 재료는 락톤, 에테르, 알데히드 기 등으로 나타나는 산소의 헤테로 원자 수량이 아주 엄청나다. 그 결과, 높은 가동 온도 등 오일 및 중합체를 대상으로 할 때면 파괴작용까지 초래할 수 있다.
응축탄소에서 나노다이아몬드 주요 성분인 입방체 변형체 다이아몬드의 함량이 아주 낮으므로 (9.1에서 58,4 질량%까지) 나노다이아몬드를 화학적으로 정제하는 사업을 어렵게 한다. 그리고 정제했다 하더라도 2.3 질량% 가량의 내화성 혼입물이 잔존하기 때문에 나노다이아몬드의 특성도 낮아진다.
위 특허(US,5,861,349,A)는 단일의 폭발구성물 즉 60/40 비례로 트로틸과 헥소겐 혼합물을 이용하는 방법만을 인용했다. 때문에 다이아몬드-탄소 재료의 이 추출방법의 양호성을 평가할 수 없다. 폭연 합성물에서 추출한 나노다이아몬드를 혼합물로부터 정화하는 방법도 알려져 있다(RU,2109683,A). 이는 폭연물을 2 단계에 걸쳐 질산용액으로 정제하는 방법이다: 처음 단계는 50-99%의 질산을 80 - 180℃ 온도로, 다음은 10 - 40%의 질산을 220 - 28O℃ 온도로 가공한다.
액상 과정은 압력으로 이루어진다. 그러나 농질산의 높은 부식작용 등을 이유로 널리 도입되어 있지 않다. 그리고 농질산 소비량도 엄청나며 정제과정의 기체 및 액체 폐기물을 처리하는 방법 역시 복잡하다. 유사한 정제방법이 있다(참고: '과산화로 분산 다이아몬드를 정제하는 과정', 응용화학지, 1992, 65권, N11, p.2512-2516).
나노다이아몬드를 함유하고 있는 폭연물을 과산화수소, 질산 혹은 변원자수 금속염을 함유하고 있는 산화 혼합물 정화 방법이다.
이 방법의 약점은 과산화수소라는 상대적으로 비싸고 부족한 산화물 그리고 원자상태 산소라는 활성 산화제를 이용하는 것이다.
본 발명의 목적은 안전하고 신뢰성 있고, 기술차원, 절약차원 및 친환경차원에서 보다 개선된 파라미터의 나노다이아몬드를 생산하는 방법을 제공하는 것이다. 발명의 주요 과제는 원하는 변형체가 높은 탄소 함유량을 갖고 예측 가능한 특성과 원하는 구성의 응축도가 높은 탄소포함 물질로 구성된 구조를 보유하고 있는 나노다이아몬드를 대량생산케 하는 방법이다. 나노다이아몬드 표면의 산화과정을 제지하는 조건하에서 폭연 합성물을 추출할 수 있다.
이 과제는 탄소, 수소, 산소를 함유하는 나노다이아몬드를 생산하는 것으로 해결된다. 이 재료는 탄소를 입방체 변형체의 다이아몬드 형태 및 뢴트겐비결정질상 탄소로 (82-95) : (18-5)의 질량비율로 함유하는 것을 특징으로 하고, 그 구성 원소의 함유량은 질량%로 보아 다음과 같다:
탄소 90.2 - 98.0
수소 0.1 - 5.0
질소 1.5 - 3.0
산소 0.1 - 4.5.
이 과제는 다른 방법으로 해결된다. 음의 산소 밸런스(negative oxygen balance)의 탄소포함 폭약물질을 폭연하는 방법으로, 탄소에 비활성인 패쇄 기체 매질에서 나노다이아몬드를 추출하는 방법이다. 그리고 화학정제 과정도 이전 것과는 구별된다. 즉, 환원제를 함유하는 응축상 덮개 내에 놓인 탄소포함 폭약물질을 폭연한다. 탄소포함 폭약물 질량에 대비 응축상 덮개 내의 환원제 질량은 0.01 : 1 이상이다. 폭연물질의 화학 정제는 2-40% 질산 수용액과 5-15 MPa 압력, 그리고 200-280℃ 온도의 압축공기의 산소와 함께 실시한다. 그 결과, 중량 대비 원소를 아래 질량%로 포함하는 나노다이아몬드를 얻게 된다:
탄소 90.2 - 98.0
수소 0.1 - 5.0
질소 1.5 - 3.0
산소 0.1 - 4.5.
탄소 질량에서 다이아몬드 입방체 변형체 탄소와 엑스선 비결정질상 탄소의 포함량은 질량%로 (82-95) : (18-5)이다.
본 발명에서는 환원제로 산소와 할로겐 원자를 포함하지 않는 유기 및 무기 화합물을 이용하는 것이 합리적이다. 이하는 방법 적용을 예를 들어 설명하겠다. 그러나 특허권 범위 내에서도 실시방침은 다양할 수 있다.
환원제 함유 응축상과 음의 산소 밸런스의 탄소포함 폭약 혼합물 폭연에 관한 이 발명 방법에 따른 나노다이아몬드 형성과정은 4개의 단계로 구분할 수 있다.
1. 제1 단계는 외부 표면에 국한되어 있는 충전 용적 범위 내에서 탄소포함폭발물질을 폭파할 때에 폭연 변형된다. 그리고 충전을 둘러싼 매질 특성은 변형 과정에 그 어떤 영향도 끼치지 않는다는 것이다. 연구결과가 보여주다시피 음의 산소 밸런스의 폭발물질 조성 선택은 응축상태로 남아 있는 잉여(extra) 탄소의 형성을 초래한다. 이 탄소 잉여분의 일부가 폭발시 입방체 변형체의 다이아몬드로 변형된다.
충전물을 액체 혹은 고체 응집 상태의 매질통에 배치한다. 예를 들어, 폭연물이 산산이 빠져나가지 못하게 하기 위해 물이나 얼음으로 체워 넣은 물통을 이용한다. 그리고 초고압 및 고열물 폭연 결과 발생하는 액체 탄소와 다이아몬드의 존재기간을 연장시킬 조건을 마련해야 한다. 액체 혹은 고체 응집 상태의 응축상 매질통(물이나 얼음을 채워 넣은)에 충전물을 넣는 것은 최초 충전 질량 범위 내에서 폭연물을 장기간 보전할 수 있게 한다. 즉 폭연물을 함유하고 있는 플라즈마의 오랜 존재를 유지케 한다. 달리 말해, 잉여 탄소의 다이아몬드상 변형량을 보다 완전케 한다.
2. 제2 단계는 폭연 이후 변형과정이다. 여기서는 화학변화 지대(zone)에서 형성된 폭연물에 대한 급속한 기체 역학적 냉각을 보장해주는 작업이 아주 중요하다. (입방체 변형체 다이아몬드를 보전하기 위한 작업이다)
알려진 바와 같이, 진공상태에서의 폭발시 고속 산란파 결과, 폭연물의 기체역학적 냉각이 급속도로 이루어진다. 그러나 다음 폭연물이 폭발실 벽에 부닥치면서 운동 에너지는 열 에너지로 변하여 폭발실의 온도를 급상승시킨다. 충격파가 머무는 시각에서 실내온도는 약 3500 K까지 오르는데 이것은 거의 폭연 온도에 가깝다. 폭발실의 압력은 온도보다 훨씬 더 빨리 떨어져서 입방체 변형체의 다이아 몬드가 흑연으로 변형된다. 그리고 고온이 계속될 경우 cc는 가스화되면서 입방체 변형체의 다이아몬드는 보전되지 않는다. 대규모의 물 혹은 얼음 덮개로 포위되어 있는 폭연물 산란시에는 보다 더딘 기체역학적 냉각이 뒤따른다. 당시 폭연물 최대 온도는 500-800K 선을 넘어 가지 않는다(물이 효율적으로 열을 흡수 하기 때문이다). (RU, 2230702 C; Mazanov V. A, '기밀화한 폭발 방 내에 응축된 탄소와 기폭 나노 다이아몬드 보존의 대형의 동역학(macrokinetic)', 고체의 물리, 2004년, 46권, 4발표, 614-620 페이지).
비활성 기체 매질에서의 폭발은 기체역학적 강도로 보아 진공폭발과 물 및 얼음의 응축상 덮개 폭발 사이의 중간 위치에 있다. 그것은 가스 매질에서의 폭연물 산란속도가 진공폭발에 비해 낮은 편이며 물 혹은 얼음 덮개 경우보다는 높은 편이기 때문이다.
cc 존재는 현저하게 폭발실 내의 잔여열로 좌우되어서 열을 줄이면 줄일수록 다이아몬드-탄소 재료의 생산량이 높아진다. 따라서 충전물 주변에 냉각을 효율적으로 하는 응축 덮개를 마련해 주는 것이 가장 최적이다.
3. 제3 단계는 폭발실 내벽에서 충격파를 제거한 다음의 과정이다. 초음 속도로 전파되는 충격파의 순환이 이루어진다. 이때 물질의 밀도, 압력, 온도가 급등하며 폭연물이 폭발실 공동매질과 난류 혼합이 이루어진다. 폭발실 공동 매질의 최대 온도는 폭발물 중량과 기체 매질 구성의 비율에 따르게 된다. 즉 매질의 화학활성과 기체의 열용량에 달려 있다.
4. 제4 단계는 탄소포함 폭약 혼합물의 폭발 결과 가열된 매질이 집약적으로 냉각되는 과정이다. 폭발 이후 폭발실에서 상이한 기체물(CO2, CO, O2, H2, N2, CH4, NO, NO2, NH3, H2O)외에 높은 방사능력의 cc 고분산 입자도 남아있다. 때문에 이런 매질의 냉각 과정은 대류와 방사의 도움으로 열을 이동시키는 것으로 특징지어진다. 폭연파의 전기전도성 단면저항 측량법을 통해서 다이아몬드 입방체 변형체의 형성기간은 0.2 - 0.5 mcs를 초과하지 않았다. 이것은 트리니트로톨루엔- 헥소겐 폭발 혼합물의 화학반응 범위에 상응한다(Staver A. M., Ershov A. P., Lyamkin A. I. '전도성의 방법으로 응축된 폭발 재료의 폭발 변환의 연구', 기폭의 물리, 1984, 20권, 제3, 79-82 페이지).
제1 단계에서 폭연시 형성된 cc 고체 입자 일부가 CO2, H2O, CO, O2, N2O3, NO2 등 기체 산화제 작용으로 기체로 변화하기 때문에, 기체 산화제 부족 등의 이유로 기체화되지 않고 남는 cc 입자를 야기할 수 있다. 남아 있는 cc 탄소 고체 입자는 관능기 표면층을 갖고 있는 것만큼 표 면관능기와 기체 산화제 사이의 상호작용은 본래의 관능기를 변경시킬 수도 있다. 즉 모든 산화제는 산소를 구성원소로 하고 있으므로 산소를 포함하지 않는 관능기를 산소포함의 관능기로 전환시킬 수 있다.
환원제의 중요 기능은 산화제를 화합시켜 탄소 입자 표면의 산화를 방지하는데 있다. 이런 기능의 활용은 나노다이아몬드에서 탄소함유량을 본격적으로 증가시킬 조건을 조성해 준다. 이런 함유량 증대는 산소함유량을 감소시키는 것에 의해 가능해진다. 연구결과가 보여주고 있듯이, 수소와 질소의 함유량은 큰 영향을 끼치지 않는다. 나노다이아몬드에 산소가 많이 함유될 때면 일부 기술 분야에서 나노다이아몬드를 효과적으로 사용할 수 없다. 예를 들어 그 나노다이아몬드를 기술용 오일의 첨가제로 이용하려 할 때면 산소함유량이 물질의 산화능력을 더욱 제고시킨다. 폭발실 공동 온도가 1500 ± 150 K일 경우 기체 매질에서의 탄소포함 혼합물 폭발과정에서 최대의 cc 산출량, 즉 ~12%에 가까운 산출량을 얻어낼 수 있다. 폭발실 공동 온도를 3000-3500 K까지 높일 때면 cc 산출량은 거의 0까지 떨어진다(Mazanov V. A. '기밀화한 폭발 방 내에 응축된 탄소와 기폭 나노 다이아몬드 보존의 대형의 동역학'고체의 물리, 2004년, 46권, 4발표, 614-620 페이지).
입방체 변형체 다이아몬드, 그리고 나노다이아몬드의 원소구성을 유지할 가능성은 폭발실 공동에서 cc 기체화를 나타내는 헤테로상 반응 및 흡열반응 진행 강도에 달려 있다.
이산화탄소의 도움으로 기체화하는 경우(1), 증기의 경우(2)가 있는데 이것을 단일 크로스 반응(3)으로 표시할 수 있다.
C + CO2 → 2CO - 172.4 kJ/mol (1)
C + H2O → CO + H2 - 130.1 kJ/mol (2)
C + CO2 + H2O → 3CO + H2 - 151.3 kJ/mol (3)
아주 높은 온도를 갖고 있을 때면 폭발실 공동에서 2 개의 경쟁과정이 진행될 수 있다: cc의 기체화(우선 다이아몬드가 아닌 탄소)와 형성된 입방체 변형체 다이아몬드의 흑연화이다. 때문에 발명자들은 폭연 결과 얻어진 재료에 대한 폭연 물의 영향을 최소화시키고 기체화를 방지하기 위해 냉각 속도를 최대한 높일 수 있게 하는 그런 합목적인 합성 조건을 모색하기 시작했다.
충전물 응축 덮개에 환원제를 주입하는 것으로 몇 가지 효과를 볼 수 있다.
1. 환원제가 폭연 과정의 제3 단계에서 탄소 입자 표면의 산화 과정을 방지한다. 환원제는 실 공동에서 산화제를 화학 활성 물질로 화합해 준다. cc에서 헤테로 원자의 활용을 방해하는 산소 함유량은 0.1% 까지 떨어진다. 그 자리에 그 무엇에도 방해가 되지 않는 비활성 수소가 자리잡는다. 탄소 함유량은 95.2% 까지 증가한다.
2. 고온의 경우 환원제가 부분적으로 분해되는데 그 결과 실내의 온도도 떨어지며 이것은 기체화 과정 (반응 1-3)역시 줄게 하여 다이아몬드의 흑연화 과정을 동결시켜준다. 그 결과, 특허(US,5,681,459,A) 기술의 경우 나노다이아몬드 산출량이 3.1 - 5,1%에 불과하다면 환원제 주입 기술의 경우 나노다이아몬드 산출량을 1,7 ~ 2,6배까지 높일 수 있다.
환원제로는 산소와 할로겐을 포함하지 않는 환원능력 보유의 임의의 유기 및 무기 화합물을 이용할 수 있다.
폭연 합성 결과 얻어진 중간재는 고분산 응축 탄소이다(이하cc). 이는 나노다이아몬드 뿐만 아니라 시약 형태로 다이아몬드가 아닌 탄소도 함유하고 있다. 이 중간재는 본 발명 방법에 따라 화학 처리된다. 다이아몬드가 아닌 탄소에 대해 질산은 원만한 활성 산화제로 된다. 질산농축정제를 위한 구간은 기술상 받아드릴 수 있는 반응 속도를 감안하여 중량대비 2-40%로 정했다. 농축도를 중량대비 2% 이하로 낮추면 생산성이 떨어진다. 질산 농축도를 40% 이상 높이는 것은 비합리적이다. 그것은 산성찌꺼기 수량이 늘어나며 매질의 부식성이 높아지기 때문이다. cc를 여타 기술 조건(t = 200 - 280℃ 및 P = 5 - 15 MPa)을 준수하는 조건하에서 질량 대비 2 - 40%의 질산농축으로 처리할 때면 정제가치가 아주 낮은 편이며 추출된 나노다이아몬드 정제도도 85% 선을 넘어서지 못한다. 질산 농축도가 2 질량% 일 경우 압축공기 때문에(2% 질산의 자체 압력은 6.5 MPa이다) 온도는 28O℃, 압력은 12-15 MPa로 유지해야 한다. 노출 시간은 한 시간이다. 이렇게 얻어진 나노다이아몬드재의 순정도(purity)는 98,7%에 이른다.
질산농도가 40 질량%인 경우 온도 200℃, 압력 5MPa(40% 질산의 자체압력은 2.9 MPa이다)을 유지하면 충분하다. 노출시간은 40분. 제품 순정도는 99,2%.
압축공기는 잉여 압력과 초평형(ultrabalanced) 산소 함유량을 담보해주며, 질산 재생의 높은 속도를 보장해준다. 압축공기로 이끌어 낸 잉여 압력 2-9 MPa은 물리적 컨디션 (액체상 시스템) 뿐만 아니라 시스템의 기체 상태의 원소와 응축 원소 사이의 복잡한 물적 밸런스를 보장해 준다. 일반 압력 구간은 5-15 MPa로 정했는데 이것은 안전한 과정 영역을 시범적으로 규정하는 수치이다.
산소 산화 시스템에 압축공기를 주입하면 산화 과정을 최적인 것으로 해 준다. 다이아몬드가 아닌 탄소의 산화물 - CO2, NO2 및 NO- 은 기체상으로 분출된다. 동시에 용액과 기체 상에 압축공기의 잉여 산소가 있을 경우 질산 재생 과정은 다음과 같이 전개된다.
2NO + O2 ↔ 2NO2 ↔ N2O4
4NO + 3O2 + 2H2O ↔ 4HNO3
4NO2 + O2 + 2H2O ↔ 4HNO3
재생된 질산은 다시 다이아몬드가 아닌 탄소와 작용하기 시작한다. 이 산화 시스템은 다이아몬드가 아닌 탄소만을 작용 대상으로 하는 것이 아니다. 이 시스템은 cc의 비탄소 혼합물인 인산제 철, 동 그리고 일련의 탄화물을 산화 및 용해시킬 능력도 보유하고 있다.
본 발명은 응축탄소(cc) 추출, 품질개량을 위한 화학처리 등 나노다이아몬드 산출법을 예로 보여 준다. 통례로 cc 합성을 위해 탄소포함 폭약 혼합물을 이용한다. 예를 들면 트리니트로 톨루엔과 헥소겐, 아니면 30에서 70%까지의 트리니트로톨루엔을 함유하는 옥토겐 등의 혼합물을 이용한다. 옥토겐, 헥소겐, 혹은 트리니트로톨루엔과의 혼합인 트리니트로트리아민벤졸의 사용도 가능하다.
시험상 탄소포함 폭약재로 다음과 같은 혼합물을 선택했다:
- 트리니트로톨루엔과 헥소겐 혼합물의 충전체. 이것은 1500 kg/㎠ 압력하에 50/50 비례로 압축시킨 충전체(예 1 - 18) 및 65/35 비례로 용해시킨 것이다(예 19 - 20).
- 트리니트로톨루엔과 옥토겐 혼합물의 충전체. 이것은 1500 kg/㎠ 압력하에 60/40 비례로 압축시킨 충전이다(예 21).
- 트리아미노트리니트로벤졸과 옥토겐 혼합물에서 가진 충전이다. 이것은 1500 kg/㎠ 압력하에 50/ 50 비례로 압축시킨 충전체이다(예 22).
충전체 형태는 전통적으로 연속적인 원통상을 선택했다. 직경은 48.5 mm, 길이는 167.1 mm. 폭발은 충전체 횡단면 안에 설치한 전기기폭제로 실시한다.
탄소포함 폭약 혼합물의 충전체는 용액(물) 응집상(예 1-16,18,19,21,22) 혹은 얼음상(예 20)의 응축상 덮개 내에 넣는다. 또는, 압축한 고체 환원제(예 17)로 충전체 포위용 덮개 내에 설치한다. 덮개의 질량은 4.0 kg에서 6.0 kg까지 이른다. 액체 응축상 덮개는 폴리에틸렌 원통이다. 이 실린더에 응축상 환원제 용액을 넣고 충전체는 실린더 내부 중앙부에 걸어 놓는다. 고체 응집상 덮개의 경우에는 아주 단단한 환원제를 사용하여 모든 표면이 갑옷처럼 덮여진다.
환원제로 다음과 같은 재료를 사용했다: 디메틸히드라진(예 1-5, 19), 우로트로핀(예 6-10, 20-22), 암모니아(예 11-13), 우레아(예 14-16), 아다만탄(adamatane, 예 17), 아세토니트릴(예 18). 환원제와 폭발 재료의 질량 비율의 범위는 (0,01 - 10.0) : 1.0에서 보정.
시험은 다음과 같이 실시했다. 덮힌 충전체를 윗문을 통해 스테인레스 강으로 만든 1㎥ 만큼 큰, 이전 폭발의 기체 생성물로 가득한 폭발실에 놓고 기폭했다.
폭발 3분 후, 물 현탁액을 아래 밸브를 통해 빼낸다. 다음 물 현탁액을 200 mcm 체로 통과시키고 말렸다. 마른 물질을 다시 80 mcm의 체로 정제한다. 다음 본 발명 방법에 따라 그 제품을 화학 정제한다.
다음 화학 정제한 제품을 56%의 질산이 들어 있는 티탄으로 제조한 압력솥에 넣는다. 티탄 비율은 제품 무게 대비 20 대 1로 한다. 압력솥은 30분간 513 K까 지 가열한다. 다음 압력솥을 냉각시킨다. 가스를 빼내고 질산으로 정제한 현탁액을 꺼낸다. 다음 나노다이아몬드를 증류수로 pH 6-7 정도로 씻는다. 다음 5 시간 정도 실내 밖의 423 K 온도에서 말린다. 실험 결과 추출한 표본물로 원소 구성을 조사했다. cc는 질량 대비 8에서 14%까지의 휘발성 혼합물을 함유하고 있다(이것은 주로 물, 질소산화물, 탄소이다). 소공(micropore)의 흡착력에 의해 이런 혼합물 제거는 120 - 125℃의 공기 가열만으로는 불가능하다. 더 이상 가열하면 다이아몬드가 아닌 입자들이 타버리거나 분해될 위험이 따른다. 휘발성 혼합물을 완전 제거하기 위해 0.01 - 10.0 Pa 잔류압력의 진공을 이용해야 한다. 이때 온도는 120 - 140℃ 범위 내에서 유지해야 한다.
0.01 Pa의 진공에서 12O℃도 충분하고, 10.0 Pa이면 14O℃도 충분하다. 압력은 0.01 Pa 보다 낮으면 실용성이 없고 10.0 Pa보다 높으면 휘발성 혼합물이 완전히 제거되지 않을 수 있다. 온도는 14O℃를 초과하면 불안정한 다이아몬드-탄소 부분이 분해될 수 있다. 3-5 시간의 가열은 휘발성 혼합물을 완전 제거케 한다. 3-5 시간의 가열 기간도 증발 혼합물의 완전 제거를 보증한다. 0.01 Pa 압력과 120℃ 정도의 조건에서 3시간도 충분하다. 10.0 Pa 압력과 140℃ 정도의 조건이면 5시간 동안 보존하면 좋다. 나노다이아몬드의 원소구성을 분석하기 위해 유기화학의 표준 방법을 적용한다: 산소전류의 가열온도는 5초 사이에 850 - 900℃. 그러나 나노다이아몬드는 어떤 유기 화합물에서 산화가 내성이 있는데, 그래서 상기 조건은 나노다이아몬드를 구성하는 원소들을 완전 산화시키는 데 불충분하다. 나노다이아몬드를 완전 산화시킬 수 있는 온도는 1050 - 1200℃이다. 가열 시간은 40 - 50초이다. 본 조건을 "Hewlett Packard"(USA)의 JYo 185 설비로 시행할 수 있다.
샘플을 0.01 - 10.0 Pa 진공 상태에서 120 - 140℃ 정도로 3 - 5 시간 지연했다. 다음, 1050 - 1200℃로 연소 가능한 속도의 산소 유량으로 40 - 50초간 처리했다. 이런 식으로 합성물 샘플을 다음 절차로 조사 분석했다.
- 크기에 따른 재료 입자의 양적인 분배를 밝히기 위해 소각산란(small angle scattering) 방법을 적용했다.
- 표면의 산소를 포함하는 아민(amines)과 아미드(amides)의 작용기(functional group) 유무와 구성을 밝히기 위해 폴라로그래프 적정(polarographic titration) 방법을 적용했다. 동시에 수산기(hydroxyl), 카르복실기(carboxyl) 아민(amines)과 아미드(amides)의 그룹들이 적당한 환원의 적외선 분광학(infra-red spectroscopy)에 따라 증명된다.
- 표면의 메탄(methane) 그룹 유무를 밝히기 위해 가스 크로마토그래피(gas chromatography) 분석의 조사. 본 그룹 유무를 3시간 동안, 663 - 673 K 정도의 가열로 추출된 기체의 구성과 추출된 메탄량에 따라 증명했다. 동시에 가스 크로마토그래피 분석 전에 얻어진 생성물의 통상의 질량을 얻기 위해 본 생성물을 24시간 동안 0.1Pa의 진공에서 473 K정도로 가열했다. 그동안 이전에 흡착된 증발 재료들(기체를 포함하여)이 제거되고 가스 크로마토그래피 분석할 때 추출되는 기체들은 CH4, H2, CO2, CO, O2, N2 및 NH3로 응축 탄소와 화합된 표면의 그룹이 파괴될 때 생긴 기체이다.
- 엑스선-광전자 스펙트럼(XPES) 도움으로 탄소 형성의 분배를 조사했다.
- 소각 산란 방법으로 조사(Svergun D. I., Feigin L. A. 'x선과 중성자의 소각 산란' 모스크바, '나우카' 출판사, 1986년, 280 페이지)
- 탄소의 저온 흡착을 통한 분말의 비표면을 밝히는 방법의 조사(Herasimov Y. M.과 등, 물리 화학의 과정 1권, 2판, 모스크바, '키미아' 출판사, 1969년, 592 페이지).
본 발명의 방법에 의한 나노 다이아몬드 추출
추출 방법 요소 No. п/п 예의 No. 파라미터 1 2
A. 기폭약 1 구성 트리니트로톨루엔/ 헥소겐, 50/50, 압축형 트리니트로톨루엔/ 헥소겐, 50/50, 압축형
2 질량, kg 0.5 0.5
3 밀도, g/㎤ 1.62 1.62
B. 덮개 4 환원제 디메틸히드라진 디메틸히드라진
5 기폭약 질량에 대한 환원제 질량 0.32 : 1.00 0.01 : 1.00
6 용매 물 물
7 덮개의 응집 상태 액체 액체
8 질량, kg 4.0 4.0
C. 채취물 9 나노 다이아몬드 생산량, 기폭약 양의 % 비례 9.1 7.0
10 요소구성, 질량%: [C] [H] [N] [O] 내화성 혼입물 96.1 1.0 2.2 0.4 0.3 90.2 5.0 1.5 3.2 0.1
11 상 구성, 나노 다이아몬드, 질량%: - 다이아몬드 큐빅 변형체 - X-선 비결정질 탄소상 91 9 85 15
12 КУ의 나노 다이아몬드 함량 60.0 58.0
표 2에 계속
3 4 5 6
A. 1 트리니트로톨루엔/ 헥소겐, 50/50, 압축형 트리니트로톨루엔/ 헥소겐, 50/50, 압축형 트리니트로톨루엔/ 헥소겐, 50/50, 압축형 트리니트로톨루엔/ 헥소겐, 50/50, 압축형
2 0.5 0.5 0.5 0.5
3 1.62 1.62 1.62 1.62
B. 4 디메틸히드라진 디메틸히드라진 디메틸히드라진 우로트로핀
5 0.16 : 1.0 0.64 : 1.00 10.0 : 1.0 0.01 : 1.00
6 물 물 물 물
7 액체 액체 액체 액체
8 4.0 4.0 4.0 6.0
C. 9 9.5 10.1 8.6 8.3
10 93.9 1.6 2.5 1.2 0.8 94.2 2.9 2.9 0.1 0.9 98.0 1.1 1.7 0.1 0.1 92.3 2.1 2.3 1.8 1.5
11 88 12 91 9 95 5 86 14
12 68.0 63 61 66
표 3에 계속
7 8 9 10
A. 1 트리니트로톨루엔/ 헥소겐, 50/50, 압축형 트리니트로톨루엔/ 헥소겐, 50/50, 압축형 트리니트로톨루엔/ 헥소겐, 50/50, 압축형 트리니트로톨루엔/ 헥소겐, 50/50, 압축형
2 0.5 0.5 0.5 0.5
3 1.62 1.62 1.62 1.62
B. 4 우로트로핀 우로트로핀 우로트로핀 우로트로핀
5 0.25 : 1.0 0.50 : 1.00 1.0 : 1.0 10.0 : 1.00
6 물 물 물 물
7 액체 액체 액체 현탁액
8 6.0 6.0 6.0 6.0
C. 9 10.4 11.5 12.0 11.2
10 94.9 1.1 2.5 1.4 0.1 95.2 1.0 2.2 1.5 0.1 96.0 0.4 2.6 0.7 0.3 97.0 0.7 2.0 0.1 0.2
11 90 10 92 8 91 9 95 5
12 71 74 75 69
표 4에 계속
11 12 13 14
A. 1 트리니트로톨루엔/ 헥소겐, 50/50, 압축형 트리니트로톨루엔/ 헥소겐, 50/50, 압축형 트리니트로톨루엔/ 헥소겐, 50/50, 압축형 트리니트로톨루엔/ 헥소겐, 50/50, 압축형
2 0.5 0.5 0.5 0.5
3 1.62 1.62 1.62 1.62
B. 4 암모니아 암모니아 암모니아 요소
5 0.01 : 1.0 0.50 : 1.00 1.0 : 1.0 10.0 : 1.00
6 물 물 물 물
7 액체 액체 액체 액체
8 5.0 5.0 5.0 5.0
C. 9 6.0 6.8 6.4 7.5
10 91.4 2.9 2.8 2.0 0.9 92.7 2.4 2.9 1.3 0.7 92.1 2.9 3.0 1.2 0.8 92.8 1.8 2.2 2.1 1.1
11 86 14 89 11 91 9 88 12
12 52 51 49 58
표 5에 계속
15 16 17 18
A. 1 트리니트로톨루엔/ 헥소겐, 50/50, 압축형 트리니트로톨루엔/ 헥소겐, 50/50, 압축형 트리니트로톨루엔/ 헥소겐, 50/50, 압축형 트리니트로톨루엔/ 헥소겐, 50/50, 압축형
2 0.5 0.5 0.5 0.5
3 1.62 1.62 1.62 1.62
B. 4 요소 요소 아다만탄 아세토니트릴
5 0.4 : 1.0 10.0 : 1.00 1.4 : 1.0 2.0 : 1.00
6 물 물 - 물
7 액체 액체 압축 고체 액체
8 5.0 5.0 충전 장갑화 5.0
C. 9 9.0 5.4 12.6 8.0
10 91.6 1.8 2.5 3.0 1.1 90.8 1.4 3.0 4.5 0.3 97.2 0.2 2.1 0.2 0.3 95.3 1.2 2.2 0.9 0.4
11 86 14 85 15 95 5 93 7
12 61 40 80 56
표 6에 계속
19 20 21 22
A. 1 트리니트로톨루엔/ 헥소겐, 65/35, 용융형 트리니트로톨루엔/ 헥소겐, 65/35, 용융형 트리니트로톨루엔/ 옥토겐, 60/40, 압축형 트리아미노트리니트롤벤솔/옥토겐 50/50, 압축형
2 0.51 ~ 0.51 ~ 0.51 0.53
3 1.64 1.64 1.65 1.71
B. 4 디메틸-드라틴 우로트로핀 우로트로핀 우로트로핀
5 0.64 : 1.00 0.5 : 1.0 0.5 : 1.0 0.5 : 1.0
6 물 물 물 물
7 액체 얼음 액체 액체
8 4.0 6.0 6.0 6.0
C. 9 11.7 12.9 13.3 6.8
10 94.8 1.2 2.9 0.2 0.9 95.2 1.1 2.0 1.1 0.6 95.9 0.2 2.1 0.8 1.0 92.0 2.3 2.6 2.3 0.8
11 92 8 94 6 93 7 86 14
12 69 78 79 52
연구결과 본 발명법으로 추출한 나노다이아몬드는 흑색 분말이다.
폴라로그래프, 크로마토그래프, 적외선-분광광도 분석 자료에 의하면 표면관능기 구성은 다음과 같다: 히드록실, 카르보닐, 카르복실, 니트릴, 아미드, 메탄 기는 본 발명 방법에 의해 얻어진 모든 샘플에서 발견되었다.
본 발명 방법의 나노다이아몬드(Cu Kα) 엑스선 분석 자료에 의하면 대칭적이고, 격자상수 a0 = 3.565 ± 0.002 Å을 갖는 입방체 변형체 다이아몬드 격자에서의 (111)-, (220)- 및 (311)-반사에 해당되는 2Θ = 43,9; 75,3 및 91,5°의 각도에서 로렌스 회절 최대치에 의해 잘 부합된다. 나노입자의 평균 크기는 4.0 - 5.0 nm. 이것들은 회절 최대치가 주로 내부 스트레인이 아니라 입자의 작은 크기와 연관되어 있음을 시사한다.
2Θ = 16°- 37° 범위 내에서는 아주 국부적인 무리(halo)를 볼 수 있다. 이것은 불규칙적인 비결정질 구조의 회절(diffraction)에 고유한 현상이다. 즉 탄소의 엑스선-비결정질상이 있음을 입증해 준다.
이 구조의 두께는 무리(halo) 반폭 상에서 2-4 Å인데 이것은 나노다이아몬드 무게의 5-18 질량%이다. 반사도가 감소하는 것으로부터 천연 다이아몬드(야쿠치야-사카, 러시아 연방 미르니 설립) 대비 나노다이아몬드의 비결정질상 수량이 220 까지로 결정됐다. 엑스선-비결정질상의 계산치는 질량 대비 5에서 18%까지.
비결정질상에 ~ 2.5 mae% 정도의 질소가 포함되어 있는데 그것은 다음과 같이 계산했다.
본 발명 방법에 따라 생산한 나노 다이아몬드 평량을 진공 0.1 Pa 상태에서 473 K로 일정한 무게가 될 때까지 20시간 동안 가열했다. 다음, 이 평량의 상이한 부분을 순차적으로 압력하에 473 - 573 K 상태에서 30분간 상이한 용매로 추출했다. 정상 구성인 용매: 헵탄, 데칸, 그리고 방향족 용매: 벤졸, 톨루올, 그리고 지환족 용매: 시클로헥산, 탄화수소, 히드로나프탈린-테트랄린과 데카린 등을 이용했다.
이런 처리에 뒤이어 탄소의 다이아몬드상(주어진 조건하에서 변형되지 않는다)과 비결정질상(주어진 조건하에서 감소된다) 비율은 변경되었다. 나노다이아몬드 샘플은 ~5질량% 감소하였다. 용매 용액에 1에서 4까지의 사이클 수 및 1-2 환에서 질소를 포함하는 질소포함 헤테로사이클 방향족 화합물만이 통과하였다. 용액에서 다른 헤테로원자는 발견되지 않았다. 추출 후 나노 다이아몬드에서 적외선-스펙트럼은 추출 이전에 있던 산소-, 수소-, 질소 포함의 상만이 남아있는 것을 보여 주었다. 그 결과, 헤테로사이클 화합물로 나타나는 질소는 분명히 중간층 - 탄소의 엑스선 비결정질상에서 나온 것이다.
더욱이, 나노다이아몬드에서 탄소의 엑스선 비결정질상 구조의 복잡성은 유사한 조건에서 제조된 나노다이아몬드 샘플(시범조건: 473 K, 20 시간, 0.1 Pa)을 소프트 조건하에서 열로 탈착(조건: 573K, 2 시간, 0.001 Pa)했다는 사실을 과시해 주고 있다. 탈착 산물 구성은 아주 다양하다: 아세토니트릴, 니트로메탄, 부타논-1-온, 부타논-2-온, 테트라히드로푸란, 에틸아지테이트(ethylazitate), 벤졸과 동족체, 알킬벤졸(C9 및 C10), 알칸류(C7 - C11), 알켄류(C7 - C10), 테르펜(C10)과 나프탈렌(C10).
온도 573K 경우 외부관능기의 부분적 파과가 뒤따르는데 니트로메탄, 부타논류, 테트라히드로푸란, 에틸라타이트, 그리고 아세톤니트라트 등이 형성된다. 그러나 주요 식별된 화합물 수량은: 벤졸과 동족체, 알칸류, 알켄류, 테르펜과 나프탈렌 등 탄소의 엑스선 비결정질상이 파괴될 때만이 형성된다. 바로 이것이 열 탈착 후 샘플 무게가 중량 대비 ~ 8% 감소한 사실을 설명해 준다.
대기에서 나노다이아몬드가 산화되기 시작하는 온도는 -이는 유도체 측량기로 열 가열속도 10 도/분을 기준으로 측량한 가스화 온도로, 473 K인데 약간의 발열 효과는 800 K까지 관측된다. 그러나 엑스선 비결정질 탄소- 다이아몬드가 아닌 탄소만이 산화되는 것이다. 그때 샘플 중량 감소는 5-18% 인데 바로 이것이 비결정질 탄소 무게와 맞먹는 무게이다.
800 K 이상 가열할 때면 아주 강한 발열효과가 나타나는데 이것은 대기 산소가 나노다이아몬드의 다이아몬드 핵과 화학반응을 하고 있음을 보여준다. 1050 K에 이르러 이 반응이 끝나며 나노다이아몬드의 완전한 산화를 초래한다. 최대 발열(최대 산화)는 930-990 K 범위 내에서 이루어진다.
비교자료로 정적인 결정형 합성 다이아몬드를 갖고 2-100 nm 크기의 입자로 분쇄하고 (평균 직경은 20 nm) 같은 조건하에서 시험했다. 다이아몬드 결정체의 산화는 785 K에서 시작된다. 최대 산화 온도는 785K, 완전한 산화 과정은 1060 K에서 완료된다.
비교결과가 보여 주고 있다시피 천연 다이아몬드와 나노다이아몬드, 그리고 고전적인 합성 다이아몬드의 내 산화성은 똑같다.
유사한 방법으로 제조한 나노다이아몬드의 다이아몬드 핵 산화는 온도 703K에서 일찍 시작된다. 이 나노다이아몬드의 각 입자는 아주 복잡한 구조를 갖고 있는 데 필수 구성요소로 다음 원소를 포함하고 있다: 다이아몬드에 고유한 입방체 결정체 구조와 연관된 탄소 원자로 된 핵 sp3-하이브리드; 핵은 탄소 원자의 82-95%를 망라하며 40-50 Å 크기를 갖고 있다; 핵은 ~2,5 질량% 질소를 보유하고 있는데 주로 치환 원자의 형태이다; 천이 탄소가 핵 주변을 덮고 있는데, 2-4 Å 폭의 탄소의 엑스선 비결정질 구조로 구성되고, 입자의 5~18%의 탄소를 포함할 수 있다. 이 외각은 sр-하이브리드 탄소로 이루어지고 불균일하다. 핵에 가까운 외각의 내부층은 연속적인 양파형 탄소층을 이루고 있다. 그 위에 흑연상의 단편적인 단층이 자리잡고 있다.
이 비결정질의 탄소 외각은 다공 구조를 갖고 있다. 폭연 합성 과정에서 각 구성에 들어간 얼마간의 헤테로 원자(우선 질소 중량 대비 2,5%)도 포함하고 있다.
- 표면층은 탄소원자 외에 상이한 관능기(히드록실-, 카르보닐-, 카르복실-, 니트릴기 등)를 형성해 주는 여타 헤테로 원자도 포함하고 있다. 입자 내 헤테로 원자 - 질소, 수소, 산소- 총 수량은 2.0에서 9.8 질량%까지이다.
연구결과가 보여주고 있다시피 나노다이아몬드 입자는 순 탄소화합물이 아니다. 그것도 탄소 자체가 동시에 여러가지 변형체 상태하에 있다. 그 중, 단 하나만이 다이아몬드 구조에 부합된다. 나노다이아몬드 입자의 외각이 주변환경과의 상호관계를 규정한다. 바로 외각 상에 상계면을 설정하고 상호작용에 참가한다. 표면에 소량으로 집결된 높은 극성기, 반응성기가 있는 것에 의해 나노다이아몬드 입자는 환경에 대해 원만한 작용을 할 수 있다.
본 발명 방법에 따라 제조된 나노다이아몬드는 무기에서 유기 상태로 전환하는 과도기 성격을 갖고 있는 것으로 아주 희귀한 물질로 인정된다. 바로 이것으로 초분산 물질속에서도 독특한 위치를 갖는다.
본 나노다이아몬드 이전 기술의 나노다이아몬드에 비해 장점을 갖고 있는데 우선 고효율 합성물의 나노 크기 성분(구성요소) 자격으로 이용할 수 있다. 즉 첨가제로 내마모성, 내구성 등 구조물의 가동성을 개선해 준다. 본 발명의 나노다이아몬드는 상이한 기술분야에 널리 도입할 수 있다. 예를 들면, 연마 구조물, 막 피복 구조물, 내 방사성 물질 구성 등에 널리 이용할 수 있다.
본 발명의 나노 다이아몬드는 종래 기술 설비와 종래 폭발물을 이용하여 생산 할 수 있다.

Claims (3)

  1. 탄소, 수소 및 산소를 포함하는 나노다이아몬드로서, 탄소가 다이아몬드 입방체 변형체 상태 및 x-선 비결정질상 탄소형태를 갖고, 그 탄소 비율이 (82-95) : (18-5) 질량% 비율이고, 구성원소는, 질량%로:
    탄소 90.2 - 98.0
    수소 0.1 - 5.0
    질소 1.5 - 3.0
    산소 0.1 - 4.5 인 것을 특징으로 하는 나노다이아몬드.
  2. 응축상 탄소에 비활성인 기체 매질에서 음의 산소 밸런스의 탄소포함 폭약 혼합물을 폭연하고, 그 다음 화학 정제하여 나노 다이아몬드를 제조하는 방법으로, 탄소포함 폭약물량에 대비 적어도 0.01 : 1 비율로 환원제를 포함하는 응축상 덮개에 주입한 탄소포함 폭약물을 폭연하고, 폭연물을 2 - 40% 질산 수용액, 200 - 280℃ 온도의 산소 압축 공기, 5 - 15 MPa 압력 조건으로 화학 정제하고, 나노 다이아몬드는 질량%로:
    탄소 90.2 - 98.0
    수소 0.1 - 5.0
    질소 1.5 - 3.0
    산소 0.1 - 4.5 이고,
    탄소 질량%로 다이아몬드 입방체 변형체 탄소와 엑스선-비결정질상 탄소 비율이 (82-95) : (18-5)인 것을 특징으로 하는 나노다이아몬드 제조 방법.
  3. 청구항 2에 있어서,
    환원제로 유기 및 무기 합성제를 이용하되, 산소와 할로겐 원자를 포함하지 않는 것을 이용하는 나노 다이아몬드 제조 방법.
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