|
|
„Diamonds are forever
They won’t leave in the night
Have no fear that they might
Desert me”
Don Black: Diamonds are Forever, 1971
(A Gyémántok az örökkévalóságnak
című James Bond-film címadó dala)
Előszó
Bármennyire is szeretnénk, nem tudjuk elkerülni a gyémántnak mint
szónak és fogalomnak azt a mitikus, szimbolikus, különleges jellegét,
vonzatát, amit óhatatlanul előidéz. Mindezek nyomán felvethetjük, hogy
tulajdonképpen mi is a gyémánt. Kő? Vagy hatalmi eszköz? Esetleg
minden gazdagság alapja? A természetes gyémánt a drágakövek királya, a
természet egyik csodája? Valójában a gyémánt évmilliókkal ezelőtt a
föld mélyén keletkezett kristályos szén. Az ember körülbelül négyezer
évvel ezelőtt fedezte fel Indiában, szimbóluma volt a villámnak és a
sebezhetetlenségnek. A gyémánt ógörög neve adamas, a szó jelentése:
legyőzhetetlen.
Szinte áttekinthetetlen lírai és prózai irodalmán
túl nem hagyhatjuk említés nélkül ékszerként és befektetési értékén
alapuló vonzerején túl olyan eszközként való értékét és hasznát, amely
a történelem során csaknem felfedezése óta szolgálta az emberiséget.
És ehhez persze hozzájárult az is, hogy az ősidők óta jobb
megismerése, alkalmazása során nem maradt el tudományos vizsgálata,
tanulmányozása sem (Hazen, 1999; Harlov, 1998; Hershey, 2004; Field,
1979, 1992).
Mindezek fényében nyugodtan állíthatjuk, hogy a
természetes gyémántról mint a szén egyik kristályos allotrópjáról,
szerkezetéről, fizikai és kémiai tulajdonságairól, geológiájáról,
feldolgozásáról a tudomány átfogó ismerettel rendelkezik (Hazen, 1999;
Harlov, 1998; Hershey, 2004; Field, 1979, 1992). Ehhez a történelmi
időket is belevonva még azt is hozzátehetjük, hogy ami az
aranycsinálási vágyak, próbálkozások terén az alkímiának nem sikerült,
azt a gyémánt esetében siker koronázta, a mesterséges gyémánt
előállítását, sőt ipari arányokban való gyártását a tudomány és
technológia – úgy, ahogy – már 1953-ban megoldotta (Wikipedia:
Synthetic Diamond).
Bevezetés
Mint azt ennek az írásnak a címe is jelzi, jelen munkánk kizárólag a
mesterséges gyémántok egyik válfajának, a detonációs nanogyémánt
rendhagyónak nevezhető felfedezésével foglalkozik. Egy következő
dolgozatot a nanogyémántok kémiájának szentelünk (Braun, in print).
Az újkori széntudománnyal foglalkozó előző
dolgozatunkban a közelmúltban felfedezett három kristályos
szénallotróp: a fullerének, a szén nanocsövek és a grafén általunk
eszkalációnak nevezett, egymást átlapoló fejlődését ismertettük
(Braun, in print). Az ott vázolt eszkalációs rokonításból kimaradt az
itt jellemzésre kerülő allotróp, a nanogyémánt. Fő okát ennek
viszontagságos felfedezésében és a többi kristályos szénallotrópoktól
eltérő szerkezetében látjuk.
A detonációs nanogyémántok
viszontagságos felfedezése
A mesterséges gyémántok előállítására már a múlt század elején
történtek próbálkozások grafit, majd karborundum felhasználásával az
úgynevezett HPHT (High Pressure High Temperature; nagy nyomás, magas
hőmérséklet), illetve nagy és bonyolult mechanikai présgépek
igénybevételével. Az eredmények kisméretű kövek előállításáról
számoltak be. Sem ezekkel, sem a valamivel később bevezetett CVD
(Chemical Vapor Deposition: kémiai gőzlerakódási) előállítási
módszerekkel jelen dolgozatban nem foglalkozunk. Annyit azonban
érdemes még megjegyezni, hogy a világ egyévi természetes
gyémánttermelése 13x107 karát, körülbelül 26 000 kg, ami körülbelül
kilencmilliárd US dollár értéknek felel meg, és elsősorban
Dél-Afrikában bányásszák, de újabban jelentős gyémántlelőhelyeket
fedeztek fel Kanadában, Indiában, Oroszországban, Brazíliában és
Ausztráliában. Ezzel szemben a világon körülbelül 100 000 kg
mesterséges gyémántot gyártanak évente.
A detonációs nanogyémántok felfedezésének története
minden túlzás nélkül egyedülállónak tekinthető. Az 1963. évi kezdés
előzményei 1961-ig nyúlnak vissza, amikor Paul S. DeCarli és John C.
Jamieson (1961), egyesült államokbeli kutatók közzétették a gyémánt
detonációs robbanásos ütközéssel megvalósítható előállítását
romboéderes grafitból. Említett szerzők a robbanásos ütközéses
komprimálás hatását vizsgálták különböző ásványokra, így többek közt a
grafitra is. Rövid, előzetes dolgozatukban (DeCarli – Jamieson, 1961)
sem a felhasznált kísérleti módszereikről, sem az alkalmazott
robbanóanyagokról nem közöltek részleteket.
De Carli és Jamieson dolgozatára az akkori
Szovjetunióban működő Műszaki Fizikai Összszövetségi Kutatási
Intézetben (All-Union Research Institute of Technical Physics
[VNIITK]), Sznyezsinszk, Cseljabinszki terület, Szovjetunió) rögtön
felfigyeltek.
Mint a 2000 utáni években kiderült, ez a civil
kutatóintézetnek álcázott egység kimondottan katonai, fegyverkezési
kutatásokkal foglalkozott. Vjacseszlav V. Danyilenkó (Vyacheslav V.
Danilenko) és kutatócsoportja az intézetben munkáját azzal kezdte,
hogy a DeCarli- és Jamieson-féle (DeCarli – Jamieson, 1961) publikáció
eredményeit próbálta reprodukálni. Kísérleteikhez Danyilenkóék zárt
robbanóedényt, grafitot, valamint TNT- és hexogén-keveréket
használtak. Mint utólag kiderült, ez a töltet katonai körökben is
elismerten erős robbanószer (1. ábra).
1. ábra • A Danyilenkó által használt
robbanószer (Composition-B) összetétele: a: trinitrotoluol (TNT) b:
hexogén (RDX) Picardi, 2008.
Danyilenkó kísérletei sikerrel jártak, a detonációs
robbanás utáni koromban 2–5 nm méretű gyémántkristályokat talált. Azt
is megfigyelte, hogy a robbantások eredményeként kapott nanogyémántok
mennyisége néha meghaladta a robbantásban részt vevő grafit
mennyiségét. Ez egyre kisebb grafitmennyiségekkel megismételve állandó
gyémántmennyiséget eredményezett. Végül a kísérletek még akkor is
eredményeseknek bizonyultak, amikor a robbantott keverék már
egyáltalán nem tartalmazott grafitot, azaz Danyilenkó felfedezte
(feltalálta), hogy a nanogyémántok az oxigénhiányos Composition-B
robbanószerből, magából a robbanóanyagból a detonáció során képződtek.
Arról, hogy mi történt azután, hogy Danyilenkó ezeket az eredményeit
feletteseinek jelentette, pontos információ még ma sem áll
rendelkezésre. Danyilenkó 2004-ben, a nanogyémánt grafit nélküli
detonációs szintéziséről, felfedezése után kb. negyven évvel (!) On
the History of the Discovery of Nanodiamond Synthesis címmel publikált
egy cikket (Danilenko, 2004). A cikk megjelenése előtt Danyilenkó az
1963–2003 évek között nanogyémánt előállításával ill. alkalmazásával a
Szovjetunióban végzett kutatásról Moszkvában közzétett egy angol
nyelvű könyvet is (Danilenko, 2003).
Ezekből az írásokból annak ellenére, hogy egyes
részletek, a korabeli írásos dokumentáció hiánya miatt még mindig
meglehetősen ködöseknek mondhatók, kibontakoznak bizonyos tudományos
kutatások szovjetunióbeli körülményeinek, egyes kutatók
tevékenységének szomorú részletei, amelyekhez hasonlóak máshol a
világon valószínűleg elképzelhetetlenek lettek volna.
Mint az ma már a múltbeli szovjet kutatások
mindennapjairól számos példán bemutatva közismert, a Szovjetunió
Tudományos Akadémiájának tagjai, az akadémikusok a tudományos
kutatásban (egyesek szerint néha nemcsak a tudományban) különleges
hatalommal, befolyással rendelkeztek.
Ez volt a helyzet a nanogyémántok detonációs
előállításánál is, ugyanis a fent említett fizikai alapkutatásokkal
álcázott sznyezsinszki nukleáris fegyverekkel foglalkozó
kutatóintézetben (VHITK) csak Jevgenyij Ivanovics Zababakin (Evgenii
Ivanovich Zababakhin) akadémikus kezdeményezésére és támogatásával
kezdhettek el Danyilenkó és munkatársai gázdinamikai kutatásokkal
foglalkozni 1960 és 1965 között. E témába foglaltatott a detonációval
grafitból előállítható gyémántra vonatkozó DeCarli és Jamieson
(DeCarli – Jamieson, 1961) által publikált eredmények reprodukálása,
és mint fentebb említettük, 1963-ban a grafitmentes detonációs
nanogyémánt-szintézis Danyilenkó és csoportja általi felfedezése is.
Az 1960 utáni években valószínűleg szintén a
DeCarli- és Jamieson-közlemény hatására a Szovjetunióban öt másik
kutatóintézetben is egymástól függetlenül elkezdtek grafitból
detonációs robbantással készítendő gyémántok kutatásával foglalkozni:
• Szovjetunió Tudományos Akadémiája Kémiai Fizika
Intézete (Institute of Chemical Physics, Academy of Sciences of the
USSR (IKhF), Csernogolovka, Moszkvai terület
• Szovjetunió Tudományos Akadémiája Hidrodinamikai
Intézete (Institute of Hydrodynamics, Siberian Division, Academy of
Sciences of the USSR IG), Novoszibirszk
• Szovjetunió Tudományos Akadémiája Szuperkemény
Anyagok Intézete (Institute of Superhard Materials, Academy of
Sciences of the USSR, ISM), Kiev
• Szovjetunió Tudományos Akadémiája Anyagtudományi
Kutatóintézete (Institute of Problems of Materials Science, Academy of
Sciences of the USSR, IPM), Kiev
• Dnyepropetrovszki Bányászati Intézet
(Dnepropetrovsk Institute of Mines DGI), Dnyepropetrovszk.
|
|
|
Mint a felsorolásból világosan látható, a
gyémántszintézis témájával kimondottan széleskörű, mondhatnánk
interdiszciplináris intézetsorozat kezdett el foglalkozni a
Szovjetunióban a múlt század hatvanas éveiben. Ezek az intézetek a
jelenleg rendelkezésre álló történeti források szerint nagyjából
tudtak egymás kutatási tevékenységéről, de, mint ez ma már
bizonyossággal állítható, semmilyen formális vagy informális
kapcsolatban nem álltak egymással.
Danyilenkó és csoportja felfedezését, a grafit
nélküli detonációs nanogyémánt-előállítást rögtön megtörténte után,
1963-ban a hatóságok titkosították, sőt párhuzamosan az egész országra
vonatkozóan a gyémántszintézisre vonatkozó DeCarli–Jamieson grafitos
detonációs eljárással foglalkozó kutatásokat is elérhetetlenné tették.
A sznyezsinszki intézetben (VNIITF) valószínűleg Zababakin akadémikus
hatalmának és befolyásának köszönhetően Danyilenkó 1963–1965 között
még folytathatta a grafit nélküli detonációs robbantásos
nanogyémánt-szintézis eljárásának a finomítását, de 1965-től kezdődően
kutatásait letiltották. Szigorú titkosítás mellett hatalmas detonációs
robbanásos berendezéseket építettek több helyen a Szovjetunióban,
valószínűleg nanogyémántok ipari arányokban való előállítására
(2–4. ábra). Ezek jelenleg valahol Oroszországban vagy a volt
szovjet tagországok (például Kazahsztán, 4. ábra) valamelyikében
rozsdásodnak. Az ezekben előállított nanogyémántok hazai
felhasználásra túl soknak bizonyultak, külföldön pedig rossz
minőségük, szennyezettségük miatt voltak eladhatatlanok. A Szovjetunió
felbomlása után Danyilenkó az Egyesült Államokban szabadalmaztatott
egy modernebb nanogyémánt-előállító detonációs reaktort (Danilenko,
1991), ami 1992-ben, Ukrajnában üzemszerűen termelni kezdett (5.
ábra).
2. ábra • Hengeralakú detonációs
nanogyémánt-előállító reaktor (VNTIIF, Sznyezsinszk, Szibéria,
Szovjetunió), átmérő: 1,5; hossz: 12 m, töltet: 40 kg (Picardi, 2008).
3. ábra • Kupolaalakú detonációs nanogyémántokat gyártó reaktor
(VNIIF, Szarov, Szovjetunió), átmérő: 12 m, súly: 350 tonna, töltet: 1
tonna. (Picardi, 2008).
4. ábra • Kazahsztáni nukleáris rakétasilóba
telepített detonációs nanogyémántokat gyártó reaktor (Picardi, 2008).
5. ábra • Ukrajnában 1992-ben üzembe
helyezett nanogyémánt-előállító reaktor. Átmérő: 2,5 m, térfogat: 100
m³, robbanóanyag: (TNT + RDX): 10 kg, jégbe ágyazva, vízhűtéssel.
Termelési kapacitás: ~1,5 t/év. (Picardi, 2008)
Sem Danyilenkó intézetéből, sem a többi kutatóintézetből a kutatók
eredményeiket sem otthon, a Szovjetunióban, sem bárhol külföldön nem
publikálhatták. Állítólag (Danilenko, 2004) készültek szigorúan titkos
jelentések Danyilenkó nanogyémánt-detonációval történő felfedezéséről
a sznyezsinszki (VNIITF) intézetben, de arról a titkosítási
hatóságokon kívül más nem tudhatott.
Így fordulhatott elő az a tudománytörténetileg valószínűleg
egyedülálló eset, hogy a grafit nélküli detonációs
nanogyémánt-szintézist 1963–2000 között Danyilenkóékon kívül,
egymástól függetlenül két másik szovjetunióbeli kutatócsoport is
felfedezte, amint Danyilenkó cikkében (Danilenko 2004) és könyvében
(Danilenko, 2003) ismertetésre került.
1982-ben a kievi Ukrán Tudományos Akadémia Anyagtudományi Intézetében
(Institute of Problems of Materials Science) Yu. I. Savvakin kutató
valószínűleg V. I. Trefilov akadémikus támogatásával és ugyanabban az
évben A. M. Staver, A. I. Ljamkin és E. A. Petrov kutatók a Szovjet
Tudományos Akadémia, novoszibirszki részleg a Hidrodinamikai
Intézetben (Institute of Hydrodynamics, Siberian Divison), V. M. Titov
akadémikus szárnyai alatt egymástól függetlenül szintén felfedezték
Danyilenkó 1963-ban tett felfedezését. Még érdekesebbnek tekinthető,
hogy 1988-ban egy harmadik, ezúttal nem szovjet, hanem
amerikai–nyugatnémet csoport négy tagja, (N. Roy Greiner, D. S.
Phillips, J. D. Johnson és Fred Volk [1988]) eredeti felfedezésként a
Nature-ben publikálta a grafitmentes detonációs
nanogyémánt-szintézist, mert a titkosítás miatt nem tudhattak az előző
három felfedezőről és eredményeikről.
Mindezek tanulságul szolgálhatnak arról, hogy hová vezet, illetve
vezethet a tudományos kutatásban a kommunikáció teljes hiánya és az
őrületes mértékű titkosítás. Valamint arról, hogy hogyan
befolyásolhatja komoly, tehetséges kutatók munkáját és sorsát az, ha a
tudományos kutatás évszázadok alatt kialakult működési mechanizmusát,
szabályait és normáit lábbal tiporják.
Zárszó
Befejezésül talán érdemes megemlíteni, hogy a nanogyémántoknak
jelentős felhasználási területei voltak és vannak. Ezeket
közismerteknek, azaz „tradicionálisnak”, azaz már a detonációs
szintézis felfedezése óta ismerteknek, és „újszerűekként” lehet
kétfelé kategorizálni. Mindkét kategória indokolttá teszi a
nanogyémántok ipari mennyiségekben való előállításának igényét. A
tradicionális eljárások termékei például főleg csiszolóanyagként való
alkalmazásra valók precíziós polírozásokhoz az elektronikai,
számítástechnikai, optikai, orvosműszerészi és ékszeriparban. De
adalékként olajokhoz és kenőanyagokhoz is bevetésre kerülnek. Az
újszerű alkalmazások valóban forradalmiak, ugyanis felületi szabad
vegyértékű szénatomjaik révén a nanogyémántok felületére a
legváltozékonyabb funkciós csoportokat lehet kovalens kötéssel kötni,
orvosi és más alkalmazási háttérrel. Utóbbihoz még azt is hozzá kell
tenni, hogy a kolloidális nanogyémánt-szuszpenziók és kolloidok
messzemenően biokompatibilisek. Mindezek nagyon biztatóak a
nanogyémántok orvosbiológiai alkalmazásának szempontjából.
Kulcsszavak: detonáció, nanogyémántok, titkosítás, felfedezés,
Szovjetunió
IRODALOM
Braun, Tibor (in print): A szén nanokémia
ékszerei. Detonációs nanogyémántok. Magyar Kémikusok Lapja.
Braun, Tibor (in print) A széntudomány
legújabb kori diadalútja. Interdiszciplináris fullerén-, nanocső- és
grafénkutatási eszkaláció. Magyar Kémikusok Lapja.
Danilenko, Vyacheslav V. (2003) Synthesis
and Sintering of Diamonds by Explosion. Energoatomizdat, Moscow
Danilenko, Vyacheslav V. (2004): On the
History of the Discovery of Nanodiamond Synthesis. Physics of the
Solid State. 46, 581–584.
Danilenko, Vyacheslav V. (1991): US Patent
181 3293A3
DeCarli, Paul S. – Jamieson, John. C.
(1961): Formation of Diamond by Explosive Shock. Science. 133, 1821 •
WEBCÍM >
Field, John Edwin (ed.) (1979): The
Properties of Diamond. Academic Press, London
Field, John Edwin (1992): The Properties
of Natural and Synthetic Diamond. Academic Press, London
Greiner, N. Roy - Phillips, D. S. –
Johnson, J. D. – Volk, F. (1988): Diamonds in Detonation Soot. Nature.
333, 440–442.
Harlow, George E. (1998): The Nature of
Diamonds. Cambridge University Press, Cambridge •
WEBCÍM >
Hazen, Robert M. (1999): The Diamond
Makers. Cambridge University Press, Cambridge •
WEBCÍM >
Hershey, J. Willard (2004): The Book of
Diamonds. Their Curious Lore, Properties, Tests and Synthetic
Manufacture 1940. Kessinger Publishing, NY •
WEBCÍM >
Jones, Anthony P. – d’Hendecourt, Louis B.
(2004): Interstellar Nanodiamonds. Astronomical Society of the Pacific
(ASP) Conference Series. 309, 589
Merton, Robert K. – Barber, Elinor (2004):
The Travels and Adventures of Serendipity. Princeton University Press,
Princeton–Oxford •
WEBCÍM >
Picardi S. Charles (Chuck) (2008):
Emerging USA Nanodiamond Applications. NANO 2008, 9th International
Conference on Nanostructured Materials, 1–6 June, 2008, Rio de
Janeiro, Brasil
Wikipedia: Synthetic Diamond •
WEBCÍM >
|
|
