التوليف بالموجات فوق الصوتية من الماس النانوي

• نظرا لقوة التجويف الشديدة ، تعد الموجات فوق الصوتية للطاقة تقنية واعدة لإنتاج الماس بحجم ميكرون ونانو من الجرافيت.
• يمكن تصنيع الماس البلوري الدقيق والنانوي صوتنة تعليق الجرافيت في السائل العضوي عند الضغط الجوي ودرجة حرارة الغرفة.
• الموجات فوق الصوتية هي أيضا أداة مفيدة للمعالجة اللاحقة للماس نانو توليفها، كما تشتت الموجات فوق الصوتية ، deagglomerates ويعمل جزيئات نانو فعالة جدا.

الموجات فوق الصوتية لمعالجة الماس النانوي

الماس النانوي (ويسمى أيضاً الماس التفجيري (DND) أو الماس فائق التشتت (UDD)) هو شكل خاص من المواد النانوية الكربونية التي تتميز بخصائص فريدة - مثل هيكلها الشبكي وسطحها الكبير، فضلاً عن خصائص بصرية ومغناطيسية فريدة - ووظائف استثنائية. وتجعل خصائص الجسيمات فائقة التشتت من هذه المواد مركبات مبتكرة لابتكار مواد جديدة ذات وظائف استثنائية. يبلغ حجم جزيئات الماس في السخام حوالي 5 نانومتر.

تحت قوى مكثفة ، مثل صوتنة أو تفجير ، يمكن تحويل الجرافيت إلى الماس.

الماس النانوي المركب بالموجات فوق الصوتية

يعد توليف الماس مجالا بحثيا مهما فيما يتعلق بالمصالح العلمية والتجارية. العملية شائعة الاستخدام لتوليف جزيئات الماس البلورية الدقيقة والنانوية البلورية هي تقنية الضغط العالي ودرجة الحرارة العالية (HPHT). بهذه الطريقة ، يتم توليد ضغط العملية المطلوب لعشرات الآلاف من الأجواء ودرجات الحرارة التي تزيد عن 2000 كلفن لإنتاج الجزء الرئيسي من العرض العالمي للماس الصناعي. لتحويل الجرافيت إلى ماس ، بشكل عام ، هناك حاجة إلى ضغوط عالية ودرجات حرارة عالية ، وتستخدم المحفزات لزيادة غلة الماس.
يمكن إنشاء هذه المتطلبات اللازمة للتحويل بكفاءة عالية من خلال استخدام الموجات فوق الصوتية عالية الطاقة (= الموجات فوق الصوتية منخفضة التردد وعالية الكثافة):

التجويف بالموجات فوق الصوتية

الموجات فوق الصوتية في السوائل تسبب تأثيرات شديدة للغاية محليا. عند صوتنة السوائل بكثافة عالية ، تؤدي الموجات الصوتية التي تنتشر في الوسائط السائلة إلى تناوب دورات الضغط العالي (الضغط) والضغط المنخفض (التخلخل) ، مع معدلات تعتمد على التردد. خلال دورة الضغط المنخفض ، تخلق الموجات فوق الصوتية عالية الكثافة فقاعات فراغ صغيرة أو فراغات في السائل. عندما تصل الفقاعات إلى حجم لم تعد قادرة على امتصاص الطاقة عنده ، فإنها تنهار بعنف خلال دورة الضغط العالي. وتسمى هذه الظاهرة التجويف. أثناء الانفجار الداخلي ، يتم الوصول إلى درجات حرارة عالية جدا (حوالي 5000 كلفن) وضغوط (حوالي 2000 ضغط جوي) محليا. ينتج عن انفجار فقاعة التجويف أيضا نفاثات سائلة تصل سرعتها إلى 280 م / ث. (سوسليك 1998) من الواضح أن الجزئي و نانو بلوري يمكن تصنيع الماس في مجال الموجات فوق الصوتية التجويف.

إجراء الموجات فوق الصوتية لتوليف الماس النانوي

في الواقع ، دراسة Khachatryan et al. (2008) يظهر أنه يمكن أيضا تصنيع بلورات الماس الدقيقة عن طريق الموجات فوق الصوتية لتعليق الجرافيت في السائل العضوي عند الضغط الجوي ودرجة حرارة الغرفة. كسائل تجويف ، تم اختيار صيغة من oligomers العطرية بسبب انخفاض ضغط البخار المشبع ودرجة حرارة الغليان العالية. في هذا السائل ، مسحوق الجرافيت النقي الخاص – مع الجسيمات في نطاق بين 100-200 ميكرومتر – تم تعليقه. في تجارب Kachatryan et al. ، كانت نسبة وزن السائل الصلب 1: 6 ، وكانت كثافة سائل التجويف 1.1 جم سم^-3 عند 25 درجة مئوية. كانت أقصى كثافة للموجات فوق الصوتية في مفاعل سونومفاعل 75-80 واط سم^-2 المقابلة لسعة ضغط الصوت من 15-16 بار.
وقد تم تحقيق ما يقرب من 10٪ تحويل الجرافيت إلى الماس. كان الماس تقريبا أحادي التشتت مع حجم حاد للغاية ومصمم بشكل جيد في حدود 6 أو 9μm ± 0.5μm ، مع مكعب ، البلوريه مورفولوجيا و عالية النقاء.

صور SEM للماس المركب بالموجات فوق الصوتية: تظهر الصور (أ) و (ب) سلسلة العينات 1 و (ج) و (د) سلسلة العينات 2. [خاتشاتريان وآخرون 2008]

ال تكاليف من الماس الدقيق والنانوي الناتج عن هذه الطريقة يقدر ب تنافسي مع عملية الضغط العالي ودرجة الحرارة العالية (HPHT). وهذا يجعل الموجات فوق الصوتية بديلا مبتكرا لتوليف الماس الصغير والنانوي (Khachatryan et al. 2008) ، خاصة وأن عملية إنتاج الماس النانوي يمكن تحسينها من خلال إجراء مزيد من التحقيقات. يجب فحص العديد من المعلمات مثل السعة والضغط ودرجة الحرارة وسائل التجويف والتركيز بدقة لاكتشاف البقعة الحلوة لتوليف الماس النانوي بالموجات فوق الصوتية.
من خلال النتائج التي تحققت في توليف الماس النانوي ، ولدت بالموجات فوق الصوتية التجويف يوفر إمكانية تخليق مركبات مهمة أخرى ، مثل نيتريد البورون المكعب ونيتريد الكربون وما إلى ذلك (Khachatryan et al. 2008)
علاوة على ذلك ، يبدو أنه من الممكن إنشاء أسلاك نانوية ماسية وقضبان نانوية من أنابيب نانوية كربونية متعددة الجدران (MWCNTs) تحت الإشعاع بالموجات فوق الصوتية. أسلاك الماس النانوية هي نظائر أحادية البعد من الماس السائب. نظرا لمعامل المرونة العالي ، ونسبة القوة إلى الوزن ، والسهولة النسبية التي يمكن بها تشغيل أسطحه ، فقد وجد أن الماس هو المادة المثلى للتصميمات الميكانيكية النانوية. (صن وآخرون 2004)

تشتيت الماس النانوي بالموجات فوق الصوتية

وكما سبق وصفه، فإن إزالة التكتلات والتوزيع المتساوي لحجم الجسيمات في الوسط هما عنصران أساسيان لنجاح استغلال الماس النانوي’ خصائص فريدة من نوعها.
التشتت و إزالة التكتل بواسطة الموجات فوق الصوتية هي نتيجة للموجات فوق الصوتية التجويف. عند تعريض السوائل للموجات فوق الصوتية ، تؤدي الموجات الصوتية التي تنتشر في السائل إلى تناوب دورات الضغط العالي والضغط المنخفض. هذا يطبق الضغط الميكانيكي على قوى الجذب بين الجسيمات الفردية. يتسبب التجويف بالموجات فوق الصوتية في السوائل في نفاثات سائلة عالية السرعة تصل إلى 1000 كم / ساعة (حوالي 600 ميل في الساعة). تضغط هذه النفاثات على السائل عند ضغط عال بين الجسيمات وتفصلها عن بعضها البعض. يتم تسريع الجسيمات الأصغر مع النفاثات السائلة وتصطدم بسرعات عالية. هذا يجعل الموجات فوق الصوتية وسيلة فعالة للتشتت ولكن أيضا ل طحن من الجسيمات بحجم ميكرون وحجم ميكرون فرعي.
على سبيل المثال، يمكن تشتيت الماس النانوي (متوسط حجمه حوالي 4 نانومتر) والبوليسترين في البوليسترين في سيكلوهيكسان للحصول على مركب خاص. في دراستهم، قام Chipara وآخرون (2010) بتحضير مركبات من البوليسترين والماس النانوي، تحتوي على الماس النانوي في نطاق يتراوح بين 0 و25% من الوزن. وللحصول على تشتت متساوٍ، قاموا بصوتنة المحلول لمدة 60 دقيقة باستخدام جهاز الصوتيات القوي Hielscher 1000 واط من طراز UIP1000hd.
تعرّف على المزيد حول إزالة الألماس النانوي بالموجات فوق الصوتية!

وظيفة بمساعدة بالموجات فوق الصوتية من الماس النانوي

لتوظيف السطح الكامل لكل جسيم نانوي الحجم، يجب أن يكون سطح الجسيم متاحًا للتفاعل الكيميائي. وهذا يعني ضرورة وجود تشتت متساوٍ ودقيق لأن الجسيمات المشتتة جيدًا محاطة بطبقة حدية من الجزيئات المنجذبة إلى سطح الجسيم. للحصول على مجموعات وظيفية جديدة للماس النانوي’ السطح، يجب كسر هذه الطبقة الحدودية أو إزالتها. يمكن إجراء عملية كسر وإزالة الطبقة الحدودية هذه بواسطة الموجات فوق الصوتية.
الموجات فوق الصوتية التي يتم إدخالها في السائل تولد تأثيرات متطرفة مختلفة مثل التجويفودرجة حرارة عالية جدًا محليًا تصل إلى 2000 كلفن ونفاثات سائلة تصل إلى 1000 كم/ساعة (Suslick 1998) وبواسطة عوامل الضغط هذه يمكن التغلب على قوى الجذب (مثل قوى فان-در-والس) وحمل الجزيئات الوظيفية إلى سطح الجسيم لتوظيفها، مثل الماس النانوي’ السطح.

المخطط 1: رسم بياني لإزالة التكتل في الموقع والأداء الوظيفي السطحي للماس النانوي (Liang 2011)

أظهرت التجارب التي أجريت على علاج التفكك الصوتي بمساعدة الخرز (BASD) نتائج واعدة للوظائف السطحية للماس النانوي أيضا. وبالتالي ، تم استخدام الخرز (مثل حبات السيراميك ذات الحجم الصغير مثل حبات ZrO2) لفرض الموجات فوق الصوتية التجويف القوى على جزيئات الماس النانوي. يحدث التكتل بسبب التصادم بين جزيئات الماس النانوي و ZrO₂ الخرز.
نظرًا لتوافر الجسيمات بشكل أفضل’ السطح، بالنسبة للتفاعلات الكيميائية مثل اختزال البوران أو الأريلة أو السيلانيزم، يوصى بشدة باستخدام المعالجة المسبقة بالموجات فوق الصوتية أو التفكك الصوتي بمساعدة الخرز (التفكك الصوتي بمساعدة الخرز) لغرض التشتت. بالموجات فوق الصوتية تفريق و إزالة التكتل يمكن أن يستمر التفاعل الكيميائي بشكل كامل.