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金刚石应用的创新永在路上(二)

2022-03-31浏览量:1111

信息导读:

4、使用涂覆金刚石的3D打印钛植入物

澳大利亚研究人员使用金刚石的特性对3D打印材料在医学领域中的应用取得了突破性进展,人体接受生物医学植入物的方式可能得到改善。来自皇家墨尔本理工大学的研究人员首次成功地涂抹了金刚石的3D打印钛植入物。

这是3D打印金刚石植入物用于生物医学和骨科的第一步,涉及人体肌肉骨骼系统的外科手术,尽管钛可为医疗级别和患者特定的植入物提供快速、准确和可靠的材料,但我们的身体有时会拒绝使用这种材料。这是由于钛上的化合物会阻止组织和骨有效与生物医学植物相互作用。而人造金刚石却为这个问题提供了一个物美价廉的解决方案。

RMIT研究试验所用的植入物是个空心立方体,采用选择性激光熔融技术(SLM)和钛3D打印。研究人员使用分散金刚石(DNDs作为钻石涂层的材料DND这种材料由TNT和RDX爆炸性混合物合成,DNDs这种材料比钛粉便宜,适用于3D打印植入物。

将带有金刚石涂层的立方体和普通钛植入物分别植入哺乳动物细胞,并保持在模拟体液中生物活性的条件下,两种不同植入物进行比较,有涂层的植入物不仅促进了更好的细胞附着在下面金刚石钛层,而且促进了哺乳动物细胞的增殖。金刚石增强活骨和人造植入物之间的整合性,并减少长时间的细菌附着。

 

金刚石作为3D打印材料是非常有效的,因为碳是人体的主要组成部分。碳与人体具有令人难以置信的生物相容性,我们的身体很容易接受金刚石,并将其作为复杂的材料界面的平台。

目前,医疗骨科方面3D打印技术制造的人工椎体,使用的材料是钛合金,在抠椎部位第一和第三椎之间放入3D打印人工椎体,并用钛合金螺钉将其固定,应用3D打印的人工定制枢椎,作为脊椎外科内植物,进行脊椎肿瘤治疗以后的稳定性重建。(风凰科技,超硬材料工程2019,1:68)

5、金刚石开启微电子量子应用新时代

陆洋团队联合哈尔滨工业大学及麻省理工学院(MIT)等合作者,经研究发现,钻石这种最硬的材料不仅可以弯曲,甚至还可发生弹性变形,以其发现为突破口,首次采用纳米力学方法,在室温下沿(100)(101)和(111)等不同晶体方向,对长度约1微米,宽度约100-300纳米的单晶金刚石桥结构进行微加工,并在单轴拉伸载荷下实现了样品的均匀弹性应变。

此外,他们还通过相对较大的样本展示了金刚石微桥阵列如何实现同步的深弹性应变。而超大的高度可控的弹性应变,则能从根本上改变金刚石能带结构,最终计算出带隙在特定取向上最多可减小约2EV(电子伏特),上述发现将对金刚石的电子应用产生重大影响。

为展示金刚石器件应用的概念,该团队参考ASTM标准和几何结构优化设计,制备出带有多个桥的微型金刚石阵列的样品。之后在扫描电子显微镜下,演示了长度约2微米的金刚石桥阵列的原位拉伸应变,并显示了随应变幅度的增加的多桥阵列的加载卸载过程:金刚石阵列在同步均匀地应变至5.8%左右时完全恢复原形状,并最终在约6%的水平发生断裂。

该团队汇集了(100)(101)和(111)取向上的金刚石样品的所有抗压强度的实验数据,并针对其拉伸应变及其相应的断裂形态进行了总结。这一加载卸载实验最终证实,样品可以始终达到6.5%到8.2%的样品宽弹性应变,并可在三个不同方向上完全恢复。通过优化样品几何形状和微细加工工艺,可实现高达9.7%的全局最大拉伸应变,该值接近金刚石理想的弹性和强度的极限(百度科技,超硬材料工程2021,2:12)

6、基于金刚石的新技术有助于降解塑料

一项使用金刚石和Ti的新技术可以在塑料微纤维进入环境之前将其分解成自然形成的分子,从而帮助清除它们。科学家解释:向海洋环境释放微塑料,被认为是一个水污染的重要问题。研究表明,在水生环境中,这些微塑料能够吸附有毒物质,并可被水生物摄取。然后,他们在食物链中积累,最终达到人体内。

实际上,塑料流入环境的方式有很多,从塑料包装到汽车轮胎,但直到最近,人们才发现最大的来源之一,是我们衣服上的纤维,可他一直被忽视。其实,这也是时尚界最愿意保守的秘密……我们大多数合成的服装都是用塑料做的,他们造成了一个大问题,将纤维排放到我们的废水中。

电氧化法利用电极,产生羟基自由基(OH)来攻击微塑料,而且整个过程对环境十分友好,因此它能将微塑料分解成二氧化碳和水,对生态系统无毒。

当研究人员在掺有26m大小聚苯乙烯微珠的人工污染的水中,使用掺硼的金刚石和Ti电极进行实验时发现,仅仅六个小时里有89%的塑料被降解了。

毫无疑问,使用金刚石非常昂贵,但该研究门团队解释说,这些组件可以重复使用数年。(百度新闻,超硬材料工程,2020,6:49)


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