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 لعلاج الماس النانوي
الماس النانوي (ويسمى أيضا الماس المتفجر (DND) أو الماس فائق التشتت (UDD)) هو شكل خاص من المواد النانوية الكربونية التي تتميز بخصائص فريدة - مثل شعريه هيكل ، كبير سطح، فضلا عن فريدة من نوعها بصري و مغناطيسي الخصائص - والتطبيقات الاستثنائية. خصائص الجسيمات فائقة التشتت تجعل هذه المواد مركبات مبتكرة لإنشاء مواد جديدة ذات وظائف غير عادية. 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
كما هو موضح بالفعل ، فإن التكتل والتوزيع المتساوي لحجم الجسيمات في الوسط ضروريان للاستغلال الناجح للخصائص الفريدة للماس النانوي.
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 الحجم حوالي 4 نانومتر) والبوليسترين في الهكسان الحلقي للحصول على مركب خاص. في دراستهم ، Chipara et al. (2010) أعدت مركبات من البوليسترين والماس النانوي ، تحتوي على الماس النانوي في نطاق يتراوح بين 0 و 25 ٪ من الوزن. للحصول على حتى التشتت، صوتي الحل لمدة 60 دقيقة مع Hielscher's UIP1000hd (1 كيلو واط).
وظيفة بمساعدة بالموجات فوق الصوتية من الماس النانوي
لتشغيل السطح الكامل لكل جسيم بحجم النانو ، يجب أن يكون سطح الجسيم متاحا للتفاعل الكيميائي. وهذا يعني أن التشتت المتساوي والدقيق مطلوب؛ لأن الجسيمات المنتشرة جيدا محاطة بطبقة حدودية من الجزيئات المنجذبة إلى سطح الجسيمات. للحصول على مجموعات وظيفية جديدة على سطح الماس النانوي ، 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 التجويف، محليا درجة حرارة عالية جدا تصل إلى 2000 كلفن ونفاثات سائلة تصل إلى 1000 كم / ساعة. (Suslick 1998) من خلال عوامل الإجهاد هذه ، يمكن التغلب على قوى الجذب (مثل قوى Van-der-Waals) ويتم نقل الجزيئات الوظيفية إلى سطح الجسيم لتعمل ، على سبيل المثال سطح الماس النانوي.
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.
نظرا لتوافر سطح الجسيمات بشكل أفضل ، بالنسبة للتفاعلات الكيميائية مثل تقليل البوران أو إزالة الشوائب أو التكسير ، يوصى بشدة بالمعالجة المسبقة بالموجات فوق الصوتية أو BASD (التفكك الصوتي بمساعدة الخرزة) لغرض التشتت. بالموجات فوق الصوتية تفريق و إزالة التكتل يمكن أن يستمر التفاعل الكيميائي بشكل كامل.
ينتج عن التجويف بالموجات فوق الصوتية فروق شديدة في درجات الحرارة والضغط ونفاثات سائلة عالية السرعة. وبالتالي ، فإن الموجات فوق الصوتية للطاقة هي طريقة معالجة ناجحة لتطبيقات الخلط والطحن.
اتصل بنا! / اسألنا!
الأدب / المراجع
- خاتشاتريان ، أ. خ. وآخرون: تحول الجرافيت إلى الماس الناجم عن التجويف بالموجات فوق الصوتية. فى: ألماس & مواد ذات صلة 17, 2008; ص 931-936.
- غاليموف ، إريك & كودين، أ. & سكوروبوغاتسكي، ف. & بلوتنيشنكو، ف. & بونداريف ، أو. & زاروبين ، ب. & سترازدوفسكي، ف. & أرونين ، الكسندر & فيسينكو، أ. & بيكوف ، ط. & بارينوف ، أ. (2004): الإثبات التجريبي لتوليف الماس في عملية التجويف. دوكلادي فيزياء – دوكل فيز. 49. 150-153.
- تورشينيوك ، ك. ، تريكازي ، سي ، ديليبوجانانان ، سي ، & موشالين ، ف. ن. (2016): إزالة التجميع بالموجات فوق الصوتية بمساعدة الملح من الماس النانوي. المواد التطبيقية ACS & واجهات ، 8 (38) ، 25461-25468.
- بسمة التميمي، إيمان إبراهيم جبار، هيثم محمد التميمي (2919): توليف وتوصيف الماس البلوري النانوي من رقائق الجرافيت عبر عملية تعزيز التجويف. هليون ، المجلد 5 ، العدد 5. 2019.
- كروجر ، أ.: بنية وتفاعل الماس النانوي. في: J Mater Chem 18, 2008; ص 1485-1492.
- Liang, Y.: Deagglomerierung und Oberflächenfunktionalisierung von Nanodiamant mittels thermochemischer und mechanochemischer Methoden. أطروحة يوليوس-ماكسيميليان-جامعة فورتسبورغ 2011.
- Osawa، E.: جسيمات الماس النانوي أحادية الانتشار. في: بيور أبلكيم 80/7, 2008; ص 1365-1379.
- Pramatarova، L. et al.: ميزة مركبات البوليمر مع جزيئات الماس النانوي التفجيرية للتطبيقات الطبية. في: في المحاكاة الحيوية. ص 298-320.
- الشمس ، ل. ؛ جونغ ، ج. ؛ تشو ، د. ؛ تشو ، ز. ؛ هو ، س.: الماس نانورودس من أنابيب الكربون النانوية. في: المواد المتقدمة 16/2004. ص 1849-1853.
- سوسليك ، كانساس: موسوعة كيرك أوثمر للتكنولوجيا الكيميائية. 4 ed. J. وايلي & الأبناء: نيويورك; 26, 1998; ص 517-541.
- Chipara، A. C. et al.: الخواص الحرارية لجزيئات الماس النانوي المنتشرة في البوليسترين. هستيك 2010.
- الساي ، ك. م.: الماس النانوي كنظام لتوصيل الدواء: التطبيق والاحتمال. في J Appl Pharm Sci 01/06 ، 2011 ؛ ص 29-39.
الماس النانوي – الاستخدام والتطبيقات
حبيبات الماس النانوي غير مستقرة بسبب إمكاناتها زيتا. وبالتالي ، فإنها تميل بشدة إلى تشكيل المجاميع. التطبيق الشائع للماس النانوي هو الاستخدام في المواد الكاشطة وأدوات القطع والتلميع والمشتتات الحرارية. استخدام محتمل آخر هو تطبيق الماس النانوي كحامل للأدوية للمكونات النشطة الصيدلانية (راجع Pramatarova). ب الموجات فوق الصوتية، أولا ، يمكن تصنيع الماس النانوي من الجرافيت وثانيا ، يمكن أن يكون الماس النانوي الذي يميل بشدة إلى التكتل متساويا متفرق في الوسائط السائلة (على سبيل المثال لصياغة عامل تلميع).