Ултразвуков синтез на нанодиаманти

• Поради интензивната си кавитационна сила, мощният ултразвук е обещаваща техника за производство на микронни и наноразмерни диаманти от графит.
• Микро- и нанокристалните диаманти могат да бъдат синтезирани с ултразвук суспензия от графит в органична течност при атмосферно налягане и стайна температура.
• Ултразвукът също е полезен инструмент за последваща обработка на синтезираните нано диаманти, тъй като ултразвукът разпръсква, деагломерира и функционализира наночастиците много ефективно.

Ултразвук за обработка на нанодиаманти

Нанодиамантите (наричани още детонационни диаманти (DND) или ултрадисперсни диаманти (UDD)) са специална форма на въглеродни наноматериали, които се отличават с уникални характеристики - като решетъчна структура, голяма повърхност, както и уникални оптични и магнитни свойства - и изключителни функционални възможности. Свойствата на ултрадисперсните частици превръщат тези материали в иновативни съединения за създаване на нови материали с изключителни функции. Размерът на диамантените частици в саждите е около 5 nm.

При интензивни сили, като ултразвук или детонация, графитът може да се трансформира в диамант.

Ултразвуково синтезирани нанодиаманти

Синтезът на диаманти е важна изследователска област по отношение на научните и търговските интереси. Често използваният процес за синтез на микрокристални и нанокристални диамантени частици е техниката с високо налягане и висока температура (HPHT). Чрез този метод се генерира необходимото технологично налягане от десетки хиляди атмосфери и температури над 2000К, за да се произведе основната част от световните доставки на индустриални диаманти. За превръщането на графита в диамант обикновено са необходими високо налягане и високи температури, а за увеличаване на добива на диаманта се използват катализатори.
Тези изисквания, необходими за преобразуване, могат да бъдат генерирани много ефективно чрез използването на ултразвук с висока мощност (= нискочестотен ултразвук с висока интензивност):

ултразвукова кавитация

Ултразвукът в течности причинява локално много екстремни ефекти. При ултразвук на течности с висок интензитет, звуковите вълни, които се разпространяват в течната среда, водят до редуващи се цикли на високо налягане (компресия) и ниско налягане (разреждане), със скорости, зависещи от честотата. По време на цикъла на ниско налягане ултразвуковите вълни с висока интензивност създават малки вакуумни мехурчета или кухини в течността. Когато мехурчетата достигнат обем, при който вече не могат да абсорбират енергия, те се срутват силно по време на цикъл на високо налягане. Това явление се нарича Кавитация. По време на имплозията се достигат много високи температури (около 5000 К) и налягания (около 2000 атм). Имплозията на кавитационния мехур също води до течни струи със скорост до 280 m/s. (Suslick 1998) Очевидно е, че микро- и нанокристален Диамантите могат да бъдат синтезирани в областта на ултразвука Кавитация.

Ултразвукова процедура за синтез на нанодиаманти

Де факто изследването на Khachatryan et al. (2008) показва, че диамантените микрокристали могат да бъдат синтезирани и чрез ултразвук на суспензия на графит в органична течност при атмосферно налягане и стайна температура. Като кавитационна течност е избрана формула от ароматни олигомери поради ниското налягане на наситените пари и високата температура на кипене. В тази течност специалният чист графитен прах – с частици в диапазона между 100-200 μm – е суспендиран. В експериментите на Kachatryan et al. съотношението тегло твърдо-флуид е 1:6, плътността на кавитационната течност е 1,1 g cm^-3 при 25°C. Максималният ултразвуков интензитет в сонорактора е 75-80W см^-2 съответстваща на амплитуда на звуковото налягане от 15-16 бара.
Постигнато е приблизително 10% преобразуване на графит в диамант. Диамантите бяха почти монодиспергиран с много остър, добре проектиран размер в диапазона от 6 или 9 μm ± 0,5 μm, с кубични, кристален морфология и висока чистота.

SEM изображения на ултразвуково синтезираните диаманти: снимки (а) и (б) показват пробите серии 1, (в) и (г) пробите серия 2. [Хачатрян и др. 2008]

Проектът Струва на микро- и нанодиамантите, произведени по този метод, се оценява на конкурентен с процеса на високо налягане-висока температура (HPHT). Това прави ултразвука иновативна алтернатива за синтеза на микро- и нанодиаманти (Khachatryan et al. 2008), особено след като процесът на производство на нанодиаманти може да бъде оптимизиран чрез по-нататъшни изследвания. Много параметри като амплитуда, налягане, температура, кавитационен флуид и концентрация трябва да бъдат изследвани точно, за да се открие сладкото място на ултразвуковия синтез на нанодиамант.
Чрез резултатите, постигнати при синтеза на нанодиаманти Кавитация предлага потенциал за синтез на други важни съединения, като кубичен борен нитрид, въглероден нитрид и др. (Khachatryan et al. 2008)
Освен това изглежда възможно да се създадат диамантени нанопроводници и нанопръчки от многостенни въглеродни нанотръби (MWCNT) при ултразвуково облъчване. Диамантените нанопроводници са едномерни аналози на насипния диамант. Поради високия си модул на еластичност, съотношението якост към тегло и относителната лекота, с която повърхностите му могат да бъдат функционализирани, диамантът е установен като оптималният материал за наномеханични дизайни. (Sun et al. 2004)

Ултразвуково диспергиране на нанодиаманти

Както вече беше описано, деагломерацията и равномерното разпределение на размера на частиците в средата са от съществено значение за успешното използване на нанодиамантите.’ уникални характеристики.
дисперсия и деагломерация чрез ултразвук са резултат от ултразвук Кавитация. При излагане на течности на ултразвук звуковите вълни, които се разпространяват в течността, водят до редуващи се цикли с високо и ниско налягане. Това прилага механично напрежение върху силите на привличане между отделните частици. Ултразвуковата кавитация в течности причинява високоскоростни течни струи до 1000 км/ч (приблизително 600 мили в час). Такива струи притискат течност при високо налягане между частиците и ги отделят една от друга. По-малките частици се ускоряват с течните струи и се сблъскват с високи скорости. Това прави ултразвука ефективно средство за диспергиране, но и за Смилане от частици с микронни и субмикронни частици.
Например нанодиаманти (със среден размер около 4 nm) и полистирен могат да бъдат диспергирани в циклохексан, за да се получи специален композит. В своето изследване Chipara et al. (2010) са подготвили композити от полистирен и нанодиаманти, съдържащи нанодиаманти в диапазона между 0 и 25% тегло. За да получат равномерна дисперсия, те сонират разтвора в продължение на 60 min с мощния сонатор Hielscher 1000 W, модел UIP1000hd.
Научете повече за ултразвуковото деагрегиране на нанодиаманти!

Ултразвуково подпомагана функционализация на нанодиаманти

За да може да се функционализира цялата повърхност на всяка наноразмерна частица, повърхността на частицата трябва да е достъпна за химична реакция. Това означава, че е необходима равномерна и фина дисперсия, тъй като добре диспергираните частици са заобиколени от граничен слой от молекули, привлечени от повърхността на частиците. За получаване на нови функционални групи към нанодиамантите’ повърхността, този граничен слой трябва да бъде разрушен или премахнат. Този процес на разрушаване и отстраняване на граничния слой може да се извърши с помощта на ултразвук.
Ултразвукът, въведен в течността, генерира различни екстремни ефекти като Кавитация, локално много висока температура до 2000 K и течни струи със скорост до 1000 км/ч. (Suslick 1998) Чрез тези стресови фактори силите на привличане (напр. силите на Ван-дер-Валс) могат да бъдат преодолени и функционалните молекули се пренасят до повърхността на частицата, за да се функционализират, напр. нанодиаманти’ повърхност.

Схема 1: Графика на деагломерацията in situ и повърхностната функционализация на нанодиаманти (Liang 2011)

Експериментите с лечението с Bead-Assisted Sonic Disintegration (BASD) показват обещаващи резултати и за повърхностната функционалност на нанодиамантите. По този начин се използват мъниста (напр. керамични мъниста с микроразмери, като ZrO2 мънста) за подсилване на ултразвука кавитационен сили върху нанодиамантените частици. Деагломерацията възниква поради междувидовия сблъсък между нанодиамантените частици и ZrO₂ Мъниста.
Поради по-добрата наличност на частици’ повърхност, за химични реакции като редукция на Боран, арилация или силанизация, се препоръчва предварителна обработка с ултразвук или BASD (звукова дезинтеграция с помощта на топчета) с цел диспергиране. Чрез ултразвук Разпръскване и деагломерация химическата реакция може да протече много по-пълно.