Nanoalmazların ultrasəs vasitəsilə sintezi

Qrafitdən almaza: yüksək güclü ultrasəs otaq temperaturunda və atmosfer təzyiqində mikro- və nanokristallik almazların sintezi üçün perspektivli yol təklif edir. Güclü akustik kavitasiya üzvi mayelərdəki qrafit suspenziyalarında almazların əmələ gəlməsini mümkün edir. Sintezdən əlavə, ultrasəslə emal əldə edilən nanoalmazların effektiv dispersləşdirilməsini, deaqlomerasiyasını və funksionallaşdırılmasını təmin edir – bu da onu həm istehsal, həm də sonrakı emal üçün çoxşaxəli vasitəyə çevirir.

Nanoalmazların emalı üçün ultrasəs

Nanoalmazlar (həmçinin detonasiya almazları (DND) və ya ultradispers almazlar (UDD) adlandırılır) unikal xüsusiyyətləri – kristal qəfəs quruluşu, böyük səth sahəsi, eləcə də unikal optik və maqnit xassələri – və müstəsna funksional imkanları ilə seçilən karbon nanomateriallarının xüsusi formasıdır. Ultradispers hissəciklərin xassələri bu materialları qeyri-adi funksiyalara malik yeni materialların yaradılması üçün innovativ birləşmələrə çevirir. Hisdəki almaz hissəciklərinin ölçüsü təxminən 5nm-dir.

Ultrasəslə emal və ya detonasiya zamanı yaranan güclü qüvvələrin təsiri altında qrafit almaza çevrilə bilər.

Ultrasəs vasitəsilə sintez edilmiş nanoalmazlar

Almazların sintezi elmi və kommersiya maraqları baxımından mühüm tədqiqat sahəsidir. Mikrokristallik və nanokristallik almaz hissəciklərinin sintezi üçün geniş istifadə olunan proses yüksək təzyiq–yüksək temperatur (HPHT) üsuludur. Bu üsulla sənaye almazlarının dünya üzrə təchizatının əsas hissəsini istehsal etmək üçün tələb olunan on minlərlə atmosfer proses təzyiqi və 2000K-dən yüksək temperatur yaradılır. Qrafitin almaza çevrilməsi üçün ümumiyyətlə yüksək təzyiq və yüksək temperatur tələb olunur və almaz çıxımını artırmaq üçün katalizatorlardan istifadə edilir.
Çevrilmə üçün tələb olunan bu şərait çox effektiv şəkildə yüksək güclü ultrasəs (= aşağı tezlikli, yüksək intensivlikli ultrasəs) tətbiq etməklə yaradıla bilər:

Ultrasəs kavitasiyası

Mayelərdə ultrasəs lokal olaraq son dərəcə güclü təsirlər yaradır. Mayelər yüksək intensivlikli ultrasəslə işləndikdə, maye mühitində yayılan səs dalğaları tezlikdən asılı sürətlə növbələşən yüksək təzyiq (sıxılma) və aşağı təzyiq (seyrəkləşmə) dövrləri yaradır. Aşağı təzyiq dövründə yüksək intensivlikli ultrasəs dalğaları mayedə kiçik vakuum qabarcıqları və ya boşluqlar yaradır. Qabarcıqlar artıq enerji uda bilməyəcəkləri həcmə çatdıqda, yüksək təzyiq dövründə şiddətlə çökürlər. Bu hadisə kavitasiya adlanır. İmplozya zamanı lokal olaraq çox yüksək temperatur (təxminən 5.000K) və təzyiq (təxminən 2.000atm) yaranır. Kavitasiya qabarcığının implozyası həmçinin sürəti 280m/s-ə qədər çatan maye şırnaqları yaradır. (Suslick 1998) Aydındır ki, mikro- və nanokristallik almazlar ultrasəs kavitasiyası sahəsində sintez oluna bilər.

Nanoalmazların sintezi üçün ultrasəs proseduru

Faktiki olaraq, Khachatryan və b. (2008) tərəfindən aparılmış tədqiqat göstərir ki, almaz mikrokristalları üzvi mayedə qrafit suspenziyasının atmosfer təzyiqində və otaq temperaturunda ultrasəslə işlənməsi yolu ilə də sintez edilə bilər. Kavitasiya mayesi kimi doymuş buxar təzyiqinin aşağı və qaynama temperaturunun yüksək olması səbəbindən aromatik oliqomerlərdən ibarət tərkib seçilmişdir. Bu mayedə hissəciklərinin ölçüsü 100–200 µm aralığında olan xüsusi təmiz qrafit tozu suspenziya halına gətirilmişdir. Kachatryan və b. tərəfindən aparılmış təcrübələrdə bərk maddə ilə mayenin kütlə nisbəti 1:6 olmuşdur, kavitasiya mayesinin sıxlığı isə 1,1g cm^-3 olmuşdur, temperatur 25°C təşkil etmişdir. Sonoreaktorda maksimum ultrasəs intensivliyi 75–80W cm^-2 olmuşdur ki, bu da 15–16 bar səs təzyiqi amplitudasına uyğun gəlir.
Qrafitin almaza təxminən 10% çevrilməsinə nail olunmuşdur. Almazlar demək olar ki, monodispers olmuşdur və 6 və ya 9μm ± 0,5μm aralığında çox dar, dəqiq tənzimlənmiş ölçüyə, kubik, kristallik morfologiyaya və yüksək təmizliyə malik olmuşdur.

Ultrasəs vasitəsilə sintez edilmiş almazların SEM təsvirləri: (a) və (b) şəkilləri 1-ci nümunə seriyasını, (c) və (d) şəkilləri isə 2-ci nümunə seriyasını göstərir. [Khachatryan et al. 2008]

Hesablamalara görə, xərclər bu üsulla istehsal olunan mikro- və nanoalmazlar üçün rəqabətqabiliyyətli hesab olunur; bu qiymətləndirmə yüksək təzyiq–yüksək temperatur (HPHT) prosesi ilə müqayisəyə əsaslanır. Bu, ultrasəsi mikro- və nanoalmazların sintezi üçün innovativ alternativə çevirir (Khachatryan və b. 2008), xüsusilə də nanoalmazların istehsal prosesi əlavə tədqiqatlarla optimallaşdırıla bildiyinə görə. Nanoalmazların ultrasəs vasitəsilə sintezinin optimal şəraitini müəyyən etmək üçün amplituda, təzyiq, temperatur, kavitasiya mayesi və konsentrasiya kimi bir çox parametr dəqiq araşdırılmalıdır.
Nanoalmazların sintezində əldə edilmiş nəticələrə əsasən, ultrasəs vasitəsilə yaradılan kavitasiya həmçinin kubik bor nitridi, karbon nitridi və s. kimi digər mühüm birləşmələrin sintezi üçün potensial imkanlar yaradır. (Khachatryan və b. 2008)
Bundan əlavə, ultrasəs şüalanması altında çoxdivarlı karbon nanoborularından (MWCNTs) almaz nanotellərin və nanoçubuqların yaradılması mümkün görünür. Almaz nanotellər həcmli almazın birölçülü analoqlarıdır. Yüksək elastiklik moduluna, möhkəmliyin çəkiyə nisbətinə və səthlərinin funksionallaşdırılmasının nisbi asanlığına görə almazın nanomexaniki konstruksiyalar üçün optimal material olduğu müəyyən edilmişdir. (Sun və b. 2004)

Nanoalmazların ultrasəs vasitəsilə dispersləşdirilməsi

Artıq təsvir edildiyi kimi, deaqlomerasiya və mühitdə hissəciklərin ölçülərinin bərabər paylanması nanoalmazların unikal xüsusiyyətlərindən uğurla istifadə etmək üçün vacibdir.
Dispersləşmə və deaqlomerasiya ultrasəslə emal zamanı ultrasəs kavitasiyası nəticəsində baş verir. Mayelər ultrasəsə məruz qaldıqda, mayedə yayılan səs dalğaları növbələşən yüksək təzyiq və aşağı təzyiq dövrləri yaradır. Bu, ayrı-ayrı hissəciklər arasındakı cazibə qüvvələrinə mexaniki gərginlik tətbiq edir. Mayelərdə ultrasəs kavitasiyası sürəti 1000km/hr-a qədər (təxminən 600mph) çatan yüksək sürətli maye şırnaqları yaradır. Belə şırnaqlar mayeni yüksək təzyiqlə hissəciklərin arasına sıxışdırır və onları bir-birindən ayırır. Daha kiçik hissəciklər maye şırnaqları ilə sürətləndirilir və yüksək sürətlə toqquşur. Bu, ultrasəsi dispersləşdirmə üçün, eləcə də üyütmə üçün mikron və submikron ölçülü hissəciklərin emalında effektiv vasitəyə çevirir.
Məsələn, xüsusi kompozit əldə etmək üçün nanoalmazlar (orta ölçüsü təxminən 4nm) və polistirol sikloheksanda dispersləşdirilə bilər. Chipara və b. (2010) öz tədqiqatlarında kütlə üzrə 0 ilə 25% arasında nanoalmaz ehtiva edən polistirol və nanoalmaz kompozitləri hazırlamışlar. Bərabər dispersləşmə əldə etmək üçün məhlulu Hielscher şirkətinin 1000 vatt gücündə UIP1000hd model ultrasəs cihazı ilə 60 min ərzində ultrasəslə işləmişlər.
Nanoalmazların ultrasəs vasitəsilə deaqreqasiyası haqqında daha çox məlumat əldə edin!

Nanoalmazların ultrasəsin köməyi ilə funksionallaşdırılması

Hər bir nanoölçülü hissəciyin bütün səthinin funksionallaşdırılması üçün hissəciyin səthi kimyəvi reaksiyaya əlçatan olmalıdır. Bu o deməkdir ki, bərabər və incə dispersləşmə tələb olunur, çünki yaxşı dispersləşdirilmiş hissəciklər hissəcik səthinə cəzb olunan molekulların sərhəd təbəqəsi ilə əhatə olunmuşdur. Nanoalmazların səthinə yeni funksional qruplar gətirmək üçün bu sərhəd təbəqəsi dağıdılmalı və ya kənarlaşdırılmalıdır. Sərhəd təbəqəsinin dağıdılması və kənarlaşdırılması prosesi ultrasəs vasitəsilə həyata keçirilə bilər.
Mayeyə ötürülən ultrasəs müxtəlif ekstremal təsirlər yaradır, məsələn, kavitasiya, lokal olaraq 2000K-ə qədər çox yüksək temperatur və sürəti 1000km/hr-a qədər çatan maye şırnaqları. (Suslick 1998) Bu gərginlik amilləri vasitəsilə cazibə qüvvələri (məsələn, Van-der-Waals qüvvələri) dəf edilə bilər və funksional molekullar hissəciyin səthini, məsələn, nanoalmazların səthini funksionallaşdırmaq üçün həmin səthə daşınır.

Sxem 1: Nanoalmazların in situ deaqlomerasiyasının və səthinin funksionallaşdırılmasının qrafik təsviri (Liang 2011)

Kürəciklərin köməyi ilə sonik dezintegrasiya (BASD) emalı üzrə təcrübələr nanoalmazların səthinin funksionallaşdırılması üçün də perspektivli nəticələr göstərmişdir. Bu zaman kürəciklərdən (məsələn, ZrO2 kürəcikləri kimi mikroölçülü keramika kürəciklərindən) istifadə edilərək ultrasəsin kavitasiya qüvvələrinin nanoalmaz hissəciklərinə təsiri gücləndirilmişdir. Deaqlomerasiya nanoalmaz hissəcikləri ilə ZrO₂ kürəcikləri arasında hissəciklərarası toqquşma nəticəsində baş verir.
Hissəcik səthinin daha əlçatan olması səbəbindən boranla reduksiya, arilləşdirmə və ya silanlaşdırma kimi kimyəvi reaksiyalar üçün dispersləşdirmə məqsədilə ultrasəs və ya BASD (kürəciklərin köməyi ilə sonik dezintegrasiya) ilə ilkin emal qəti şəkildə tövsiyə olunur. Ultrasəs vasitəsilə dispersləşdirmə və deaqlomerasiya sayəsində kimyəvi reaksiya xeyli daha tam gedə bilər.