تخليق الألماس النانوي بالموجات فوق الصوتية
الموجات فوق الصوتية لمعالجة الألماس النانوي
الألماس النانوي (ويُسمّى أيضًا ألماس التفجير (DND) أو الألماس فائق التشتت (UDD)) هو شكل خاص من المواد الكربونية النانوية يتميّز بخصائص فريدة – مثل بنيته الشبكية ومساحة سطحه الكبيرة، فضلًا عن خصائص بصرية ومغناطيسية فريدة – ووظائف استثنائية. تجعل خصائص الجسيمات فائقة التشتت هذه المواد مركّبات مبتكرة لإنشاء مواد جديدة ذات وظائف غير عادية. يبلغ حجم جسيمات الألماس في السخام نحو 5nm.
يمكن تحويل الغرافيت إلى ألماس تحت تأثير قوى شديدة، مثل تلك الناتجة عن المعالجة بالموجات فوق الصوتية أو التفجير.
الألماس النانوي المُخلّق بالموجات فوق الصوتية
يُعدّ تخليق الألماس مجالًا بحثيًا مهمًا من منظور الاهتمامات العلمية والتجارية. تتمثّل العملية الشائعة لتخليق جسيمات الألماس ذات البلورات الميكرونية والنانوية في تقنية الضغط العالي ودرجة الحرارة العالية (HPHT). بهذه الطريقة، يُولَّد ضغط العملية المطلوب، الذي يبلغ عشرات الآلاف من وحدات الضغط الجوي، ودرجات حرارة تتجاوز 2000K لإنتاج الجزء الأكبر من الإمدادات العالمية من الألماس الصناعي. يتطلّب تحويل الغرافيت إلى ألماس عمومًا ضغوطًا عالية ودرجات حرارة عالية، وتُستخدم محفّزات لزيادة مردود الألماس.
يمكن توفير هذه الظروف اللازمة للتحويل بكفاءة عالية جدًا باستخدام الموجات فوق الصوتية عالية القدرة (= موجات فوق صوتية منخفضة التردد وعالية الشدة):
التجويف بالموجات فوق الصوتية
تُحدث الموجات فوق الصوتية في السوائل تأثيرات موضعية شديدة للغاية. عند معالجة السوائل بالموجات فوق الصوتية بشدة عالية، تؤدي الموجات الصوتية المنتشرة في الأوساط السائلة إلى دورات متناوبة من الضغط العالي (الانضغاط) والضغط المنخفض (التخلخل)، بمعدلات تعتمد على التردد. خلال دورة الضغط المنخفض، تُنشئ الموجات فوق الصوتية عالية الشدة فقاعات فراغية صغيرة أو فجوات في السائل. عندما تصل الفقاعات إلى حجم لا تعود معه قادرة على امتصاص الطاقة، تنهار بعنف خلال دورة الضغط العالي. تُسمّى هذه الظاهرة التجويف. أثناء الانهيار الداخلي، تُبلَغ موضعيًا درجات حرارة عالية جدًا (نحو 5,000K) وضغوط عالية جدًا (نحو 2,000atm). وينتج عن الانهيار الداخلي لفقاعة التجويف أيضًا نفاثات سائلة تصل سرعتها إلى 280m/s. (Suslick 1998) ومن الواضح أنه يمكن تخليق ألماس ذي بلورات ميكرونية و نانوية في مجال التجويف بالموجات فوق الصوتية.
إجراء تخليق الألماس النانوي بالموجات فوق الصوتية
في الواقع، تُظهر دراسة Khachatryan وآخرين (2008) أنه يمكن أيضًا تخليق بلورات ألماس ميكرونية بمعالجة معلّق من الغرافيت في سائل عضوي بالموجات فوق الصوتية عند الضغط الجوي ودرجة حرارة الغرفة. اختيرت تركيبة من الأوليغومرات العطرية لتكون سائل التجويف، نظرًا لانخفاض ضغط بخارها المشبع وارتفاع درجة غليانها. عُلّق في هذا السائل مسحوق غرافيت نقي خاص – بجسيمات يتراوح حجمها بين 100–200 µm. في تجارب Kachatryan وآخرين، كانت نسبة وزن المادة الصلبة إلى السائل 1:6، وكانت كثافة سائل التجويف 1.1g cm-3 عند 25°C. بلغت أقصى شدة للموجات فوق الصوتية في المفاعل الصوتي 75–80W cm-2 ، بما يقابل سعة ضغط صوتي قدرها 15–16 bar.
تحقّق تحويل نحو 10% من الغرافيت إلى ألماس. وكانت جسيمات الألماس شبه أحادية التشتت ، بتوزيع حجمي ضيق جدًا ومضبوط جيدًا في نطاق 6 أو 9μm ± 0.5μm، وبمورفولوجيا مكعّبة بلورية و نقاوة عالية.
صور بالمجهر الإلكتروني الماسح (SEM) للألماس المُخلّق بالموجات فوق الصوتية: تُظهر الصورتان (a) و(b) سلسلة العينات 1، والصورتان (c) و(d) سلسلة العينات 2. [Khachatryan et al. 2008]
يُقدَّر أن تكاليف الألماس الميكروني والنانوي المُنتَج بهذه الطريقة قادرة على المنافسة مع عملية الضغط العالي ودرجة الحرارة العالية (HPHT). وهذا يجعل الموجات فوق الصوتية بديلًا مبتكرًا لتخليق الألماس الميكروني والنانوي (Khachatryan et al. 2008)، ولا سيما أنه يمكن تحسين عملية إنتاج الألماس النانوي من خلال مزيد من الدراسات. يجب فحص العديد من المعلمات، مثل السعة والضغط ودرجة الحرارة وسائل التجويف والتركيز، بدقة لتحديد الظروف المثلى لتخليق الألماس النانوي بالموجات فوق الصوتية.
استنادًا إلى النتائج المحقّقة في تخليق الألماس النانوي، فإن التجويف المولَّد بالموجات فوق الصوتية يتيح أيضًا إمكانية تخليق مركّبات مهمة أخرى، مثل نتريد البورون المكعّب ونتريد الكربون وغيرهما. (Khachatryan et al. 2008)
علاوة على ذلك، يبدو أنه يمكن إنشاء أسلاك وقضبان نانوية من الألماس انطلاقًا من أنابيب الكربون النانوية متعددة الجدران (MWCNTs) تحت تأثير التشعيع بالموجات فوق الصوتية. أسلاك الألماس النانوية هي نظائر أحادية البعد للألماس الكتلي. وبفضل معامل مرونته العالي ونسبة قوته إلى وزنه والسهولة النسبية لإدخال مجموعات وظيفية على أسطحه، تبيّن أن الألماس هو المادة المثلى للتصاميم الميكانيكية النانوية. (Sun et al. 2004)
تشتيت الألماس النانوي بالموجات فوق الصوتية
كما سبق توضيحه، يُعدّ تفكيك التكتلات والتوزيع المتجانس لأحجام الجسيمات في الوسط ضروريين للاستفادة الناجحة من الخصائص الفريدة للألماس النانوي.
التشتيت و تفكيك التكتلات بالمعالجة بالموجات فوق الصوتية ينتجان عن التجويف بالموجات فوق الصوتية. عند تعريض السوائل للموجات فوق الصوتية، تؤدي الموجات الصوتية المنتشرة في السائل إلى دورات متناوبة من الضغط العالي والضغط المنخفض. وهذا يفرض إجهادًا ميكانيكيًا على قوى التجاذب بين الجسيمات الفردية. يتسبّب التجويف بالموجات فوق الصوتية في السوائل في نفاثات سائلة عالية السرعة تصل سرعتها إلى 1000km/hr (نحو 600mph). تدفع هذه النفاثات السائل بضغط عالٍ بين الجسيمات وتفصلها بعضها عن بعض. تتسارع الجسيمات الأصغر مع النفاثات السائلة وتتصادم بسرعات عالية. وهذا يجعل الموجات فوق الصوتية وسيلة فعالة للتشتيت، وكذلك من أجل طحن الجسيمات ذات الأحجام الميكرونية ودون الميكرونية.
على سبيل المثال، يمكن تشتيت الألماس النانوي (بمتوسط حجم يبلغ نحو 4nm) والبوليسترين في الهكسان الحلقي للحصول على مادة مركّبة خاصة. في دراستهم، حضّر Chipara وآخرون (2010) مواد مركّبة من البوليسترين والألماس النانوي، تحتوي على ألماس نانوي بنسبة تتراوح بين 0 و25% بالوزن. للحصول على تشتت متجانس، عالجوا المحلول بالموجات فوق الصوتية لمدة 60 min باستخدام جهاز المعالجة بالموجات فوق الصوتية القوي من Hielscher، طراز UIP1000hd، بقدرة 1000 واط.
تعرّف على المزيد حول تفكيك تجمعات الألماس النانوي بالموجات فوق الصوتية!
إدخال مجموعات وظيفية على الألماس النانوي بمساعدة الموجات فوق الصوتية
لإدخال مجموعات وظيفية على كامل سطح كل جسيم نانوي، يجب أن يكون سطح الجسيم متاحًا للتفاعل الكيميائي. وهذا يعني ضرورة الحصول على تشتت دقيق ومتجانس، إذ تحيط بالجسيمات المشتتة جيدًا طبقة حدّية من الجزيئات المنجذبة إلى سطح الجسيم. لإيصال مجموعات وظيفية جديدة إلى سطح الألماس النانوي، يجب تفكيك هذه الطبقة الحدّية أو إزالتها. ويمكن تنفيذ عملية تفكيك الطبقة الحدّية وإزالتها بالموجات فوق الصوتية.
تولّد الموجات فوق الصوتية المُدخَلة إلى السائل تأثيرات شديدة متنوعة، مثل التجويف، ودرجات حرارة موضعية عالية جدًا تصل إلى 2000K، ونفاثات سائلة تصل سرعتها إلى 1000km/hr. (Suslick 1998) تتيح عوامل الإجهاد هذه التغلب على قوى التجاذب (مثل قوى فان دير فالس)، وتُنقَل الجزيئات الوظيفية إلى سطح الجسيم لإدخال مجموعات وظيفية عليه، مثل سطح الألماس النانوي.
المخطط 1: رسم يوضّح تفكيك التكتلات في الموقع وإدخال مجموعات وظيفية على سطح الألماس النانوي (Liang 2011)
أظهرت التجارب باستخدام المعالجة بالتفكيك الصوتي بمساعدة الخرز (BASD) نتائج واعدة أيضًا لإدخال مجموعات وظيفية على سطح الألماس النانوي. واستُخدم الخرز (مثل الخرز الخزفي ذي الأحجام الميكرونية، كخرز ZrO2) لتعزيز قوى التجويف بالموجات فوق الصوتية المؤثرة على جسيمات الألماس النانوي. يحدث تفكيك التكتلات نتيجة التصادم بين جسيمات الألماس النانوي وخرز ZrO2 .
نظرًا لتحسّن إتاحة سطح الجسيمات، يُوصى بشدة بإجراء معالجة مسبقة بالموجات فوق الصوتية أو بتقنية BASD (التفكيك الصوتي بمساعدة الخرز) بغرض التشتيت قبل التفاعلات الكيميائية، مثل الاختزال بالبوران أو الأَرْيَلة أو السيلنة. ومن خلال التشتيت و تفكيك التكتلات بالموجات فوق الصوتية، يمكن أن يجري التفاعل الكيميائي على نحو أكثر اكتمالًا بكثير.
يؤدي التجويف بالموجات فوق الصوتية إلى فروق شديدة في درجات الحرارة والضغط ونفاثات سائلة عالية السرعة. وبذلك، تُعدّ الموجات فوق الصوتية عالية القدرة طريقة معالجة ناجحة لتطبيقات الخلط والطحن.
اتصل بنا! / اسألنا!
المؤلفات/المراجع
- Khachatryan, A. Kh. et al.: تحوّل الغرافيت إلى ألماس بفعل التجويف بالموجات فوق الصوتية. في: Diamond & Related Materials 17, 2008; pp931–936.
- Galimov, Erik & Kudin, A. & Skorobogatskii, V. & Plotnichenko, V. & Bondarev, O. & Zarubin, B. & Strazdovskii, V. & Aronin, Alexandr & Fisenko, A. & Bykov, I. & Barinov, A.. (2004): تأكيد تجريبي لتخليق الألماس في عملية التجويف. Doklady Physics – DOKL PHYS. 49. 150–153.
- Turcheniuk, K., Trecazzi, C., Deeleepojananan, C., & Mochalin, V. N. (2016): تفكيك تجمعات الألماس النانوي بالموجات فوق الصوتية بمساعدة الملح. ACS Applied Materials & Interfaces, 8(38), 25,461–25,468.
- Basma H. Al-Tamimi, Iman I. Jabbar, Haitham M. Al-Tamimi (2919): تخليق الألماس ذي البلورات النانوية من رقائق الغرافيت وتوصيفه عبر عملية معزَّزة بالتجويف. Heliyon، المجلد 5، العدد 5. 2019.
- Krueger, A.: بنية الألماس النانوي وتفاعليته. في: J Mater Chem 18, 2008; pp. 1485–1492.
- Liang, Y.: تفكيك تكتلات الألماس النانوي وإدخال مجموعات وظيفية على سطحه باستخدام طرائق كيميائية حرارية وكيميائية ميكانيكية. أطروحة، Julius-Maximilian-Universität Würzburg 2011.
- Osawa, E.: جسيمات ألماس نانوي منفردة أحادية التشتت. في: Pure Appl Chem 80/7, 2008; pp. 1365–1379.
- Pramatarova, L. et al.: مزايا المواد المركّبة البوليمرية المحتوية على جسيمات ألماس نانوي ناتج عن التفجير للتطبيقات الطبية. في: On Biomimetics; pp. 298–320.
- Sun, L.; Gong, J.; Zhu, D.; Zhu, Z.; He, S.: قضبان ألماس نانوية من أنابيب الكربون النانوية. في: Advanced Materials 16/2004. pp. 1849–1853.
- Suslick, K.S.: موسوعة Kirk-Othmer للتكنولوجيا الكيميائية. الطبعة 4. J. Wiley & Sons: نيويورك; 26, 1998; pp. 517–541.
- Chipara, A. C. et al.: الخصائص الحرارية لجسيمات الألماس النانوي المشتتة في البوليسترين. HESTEC 2010.
- El-Say, K. M.: الألماس النانوي بوصفه نظامًا لتوصيل الدواء: التطبيق والآفاق المستقبلية. في J Appl Pharm Sci 01/06, 2011; pp. 29–39.
الألماس النانوي – الاستخدام والتطبيقات
حبيبات الألماس النانوي غير مستقرة بسبب جهد زيتا الخاص بها. ولذلك، تميل بشدة إلى تكوين تجمعات. ومن التطبيقات الشائعة للألماس النانوي استخدامه في المواد الكاشطة وأدوات القطع والتلميع والمشتتات الحرارية. وثمة استخدام محتمل آخر يتمثّل في توظيف الألماس النانوي حاملًا للمكوّنات الدوائية الفعالة (راجع Pramatarova). بواسطة المعالجة بالموجات فوق الصوتية، يمكن أولًا تخليق الألماس النانوي من الغرافيت، وثانيًا يمكن تشتيت الألماس النانوي، الذي يميل بشدة إلى التكتل، بصورة متجانسة في أوساط سائلة (مثلًا لتحضير عامل تلميع).