Ултразвуков синтез на нанодиаманти

От графит до диамант: мощният ултразвук предлага обещаващ подход за синтез на микро- и нанокристални диаманти при стайна температура и атмосферно налягане. Интензивната акустична кавитация позволява образуването на диаманти в суспензии на графит в органични течности. Освен за синтеза, ултразвуковата обработка спомага за ефективното диспергиране, деагломериране и функционализиране на получените нанодиаманти – което я прави универсален инструмент както за производството, така и за последващата обработка.

Ултразвук за обработка на нанодиаманти

Нанодиамантите (наричани също детонационни диаманти (DND) или ултрадисперсни диаманти (UDD)) са специална форма на въглеродни наноматериали, отличаващи се с уникални характеристики – като структурата на кристалната им решетка, голямата им 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 необикновени функции. Размерът на диамантените частици в саждите е около 5nm.

Нанодиаманти, синтезирани чрез ултразвук

Синтезът на диаманти е важна изследователска област от гледна точка на научните и търговските интереси. Обичайно използваният процес за синтез на микрокристални и нанокристални диамантени частици е техниката с високо налягане и висока температура (HPHT). При този метод се създават необходимите за процеса налягания от десетки хиляди атмосфери и температури над 2000K, за да се произвежда основната част от световните доставки на промишлени диаманти. За превръщането на графит в диамант обикновено са необходими високи налягания и високи температури, а за увеличаване на добива на диаманти се използват катализатори.
Тези необходими за превръщането условия могат да бъдат създадени много ефективно чрез използването на ултразвук с висока мощност (= ултразвук с ниска честота и висок интензитет):

Ултразвукова кавитация

Ултразвукът в течности предизвиква локално много екстремни ефекти. При ултразвукова обработка на течности с висок интензитет звуковите вълни, разпространяващи се в течната среда, предизвикват редуващи се цикли на високо налягане (свиване) и ниско налягане (разреждане), чиято честота на повторение зависи от честотата на ултразвука. По време на цикъла на ниско налягане ултразвуковите вълни с висок интензитет създават малки вакуумни мехурчета или кухини в течността. Когато мехурчетата достигнат обем, при който вече не могат да поглъщат енергия, те се свиват рязко по време на цикъл на високо налягане. Това явление се нарича кавитация. По време на имплозията локално се достигат много високи температури (прибл. 5 000K) и налягания (прибл. 2 000atm). Имплозията на кавитационното мехурче води също до образуване на течни струи със скорост до 280m/s. (Suslick 1998) Очевидно е, че микро- и нанокристални диаманти могат да бъдат синтезирани в зоната на ултразвукова кавитация.

В това видео Ви показваме ултразвукова система с мощност 2 киловата за проточна работа, разположена в шкаф с възможност за продухване. Hielscher доставя ултразвуково оборудване за почти всички отрасли, включително химическата, фармацевтичната и козметичната промишленост, нефтохимичните процеси, както и процесите на екстракция с разтворители. Този шкаф от неръждаема стомана с възможност за продухване е проектиран за работа във взривоопасни зони. За тази цел клиентът може да продухва уплътнения шкаф с азот или свеж въздух, за да предотврати проникването на запалими газове или пари в него.

Ултразвукова процедура за синтез на нанодиаманти

На практика изследването на Khachatryan et al. (2008) показва, че диамантени микрокристали могат да бъдат синтезирани и чрез ултразвукова обработка на суспензия на графит в органична течност при атмосферно налягане и стайна температура. Като кавитационна течност е избрана смес от ароматни олигомери поради ниското ѝ налягане на наситените пари и високата ѝ температура на кипене. В тази течност е суспендиран специалният чист графитен прах – с частици в диапазона 100–200 µm. В експериментите на Kachatryan et al. масовото съотношение твърдо вещество–течност е било 1:6, а плътността на кавитационната течност е била 1,1g cm^-3 при 25°C. Максималният ултразвуков интензитет в сонохимичния реактор е бил 75–80W cm^-2 , съответстващ на амплитуда на звуковото налягане от 15–16 bar.
Постигнато е приблизително 10% превръщане на графита в диамант. Диамантите са били почти монодисперсни с много тясно и добре контролирано разпределение на размерите в диапазона от 6 или 9μm ± 0,5μm, с кубична, кристална морфология и висока чистота.

Смята се, че разходите за микро- и нанодиаманти, произведени по този метод, са конкурентни спрямо процеса с високо налягане и висока температура (HPHT). Това превръща ултразвука в иновативна алтернатива за синтез на микро- и нанодиаманти (Khachatryan et al. 2008), особено предвид възможността производственият процес на нанодиамантите да бъде оптимизиран чрез допълнителни изследвания. Множество параметри, като амплитуда, налягане, температура, кавитационна течност и концентрация, трябва да бъдат изследвани прецизно, за да се установят оптималните условия за ултразвуков синтез на нанодиаманти.
Предвид постигнатите резултати при синтеза на нанодиаманти, генерираната чрез ултразвук кавитация предлага също 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 създават диамантени наножици и нанопръчки от многостенни въглеродни нанотръби (MWCNTs) при ултразвуково облъчване. Диамантените наножици са едномерни аналози на обемния диамант. Благодарение на високия си модул на еластичност, съотношението якост към тегло и относителната лекота, с която повърхностите му могат да бъдат функционализирани, диамантът е определен като оптимален материал за наномеханични конструкции. (Sun et al. 2004)

Ултразвуково диспергиране на нанодиаманти

Както вече беше описано, деагломерацията и равномерното разпределение на частиците по размер в средата са съществени за успешното използване на уникалните характеристики на нанодиамантите.
Диспергирането и деагломерацията чрез ултразвукова обработка са резултат от ултразвукова кавитация. При излагане на течности на ултразвук звуковите вълни, разпространяващи се в течността, предизвикват редуващи се цикли на високо и ниско налягане. Това създава механично напрежение, което противодейства на силите на привличане между отделните частици. Ултразвуковата кавитация в течности предизвиква високоскоростни течни струи със скорост до 1000km/hr (прибл. 600mph). Тези струи вкарват течност под високо налягане между частиците и ги разделят една от друга. По-малките частици се ускоряват от течните струи и се сблъскват с високи скорости. Това превръща ултразвука в ефективно средство за диспергиране, но също и за смилане на частици с микронни и субмикронни размери.
Например нанодиаманти (със среден размер около 4nm) и полистирен могат да бъдат диспергирани в циклохексан за получаване на специален композит. В своето изследване Chipara et al. (2010) са подготвили композити от полистирен и нанодиаманти, съдържащи нанодиаманти между 0 и 25% по маса. За да получат равномерна дисперсия, те са обработили разтвора с ултразвук за 60 min с мощния ултразвуков хомогенизатор на Hielscher с мощност 1000 вата, модел UIP1000hd.
Научете повече за ултразвуковата деагрегация на нанодиаманти!

Функционализация на нанодиаманти с помощта на ултразвук

За функционализиране на цялата повърхност на всяка частица с наноразмери повърхността на частицата трябва да бъде 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 към повърхността им. За да се въведат нови функционални групи върху повърхността на нанодиамантите, този граничен слой трябва да бъде разрушен или отстранен. Този процес на разрушаване и отстраняване на граничния слой може да се извърши чрез ултразвук.
Ултразвукът, въведен в течност, генерира различни екстремни ефекти, като кавитация, локално много висока температура до 2000K и течни струи със скорост до 1000km/hr. (Suslick 1998) Чрез тези фактори на натоварване силите на привличане (напр. силите на Ван дер Ваалс) могат да бъдат преодолени и функционалните молекули се пренасят до повърхността на частицата, за да функционализират например повърхността на нанодиамантите.

Експериментите с обработка чрез ултразвукова дезинтеграция с помощта на микросфери (BASD) също са показали обещаващи резултати за повърхностната функционализация на нанодиамантите. При това са използвани микросфери (напр. керамични микросфери с микронни размери, като микросфери от ZrO2), за да се усили въздействието на ултразвуковите кавитационни сили върху нанодиамантените частици. Деагломерацията настъпва вследствие на сблъсъците между нанодиамантените частици и микросферите от ZrO₂ .
Поради по-добрата достъпност на повърхността на частиците, за химични реакции като редукция с боран, арилиране или силанизиране силно се препоръчва предварителна ултразвукова обработка или BASD (ултразвукова дезинтеграция с помощта на микросфери) с цел диспергиране. Чрез ултразвуково диспергиране и деагломерация химичната реакция може да протече много по-пълно.