Nanodijamanti dispergirani u vodenoj suspenziji ultrazvučnom obradom

Disperzije nanodijamanata mogu se brzo i efikasno pripremiti pomoću Hielscher sonikatora. U vodenoj suspenziji ultrazvučna deagregacija osigurava pouzdano razbijanje agregata i stvaranje stabilnih koloida. U kombinaciji s jednostavnim dodavanjem soli radi podešavanja pH vrijednosti, ova metoda predstavlja jednostavan, jeftin pristup bez kontaminanata. Zahvaljujući skalabilnosti i jednostavnoj primjeni, ultrazvučna disperzija vrlo je pogodna ne samo za laboratorijska istraživanja nego i za obradu nanodijamanata u industrijskim razmjerima.

Efikasna deagregacija nanodijamanata bez kontaminacije

Nanodijamanti se sve više primjenjuju u biomedicini, kvantnim tehnologijama, tribologiji i naprednim kompozitima, ali njihova svojstvena sklonost stvaranju tvrdih agregata često ograničava performanse. Postizanje stabilnih koloida diskretnih čestica stoga je preduvjet za tačnu karakterizaciju i pouzdanu primjenu. Konvencionalne metode deagregacije često se oslanjaju na agresivne tehnike mljevenja koje unose cirkonijev oksid ili druge nečistoće, što otežava pročišćavanje i ograničava biomedicinsku upotrebu. Ultrazvučna disperzija nudi brzu, skalabilnu alternativu bez kontaminanata. Primjenom akustične kavitacije u vodenim medijima, sonikatori sa sondom efikasno razbijaju agregate na jednocifrene nanodijamante. U kombinaciji s jednostavnom modulacijom pH vrijednosti uz pomoć soli, ova metoda daje stabilne koloide u širokom rasponu pH vrijednosti bez unošenja toksičnih nusproizvoda, zbog čega je vrlo privlačna kako za laboratorijska istraživanja, tako i za proizvodnju u industrijskim razmjerima.

Nanodijamanti se mogu efikasno i pouzdano dispergirati pomoću Hielscher ultrazvučnih uređaja.

Kako funkcioniraju ultrazvučno mljevenje i dispergiranje nanodijamanata?

Ultrazvučna disperzija koristi same nanodijamante kao medij za mljevenje. Akustična kavitacija koju stvaraju ultrazvučni valovi velike snage uzrokuje brzo strujanje tekućine. Ti tokovi tekućine ubrzavaju čestice (npr. dijamante) u suspenziji tako da se čestice sudaraju brzinom do 280km/s i razbijaju na sitne čestice nanometarskih dimenzija. Zbog toga su ultrazvučno mljevenje i dispergiranje jednostavna, jeftina tehnika bez kontaminanata, koja pouzdano deaglomerira nanodijamante u čestice nanometarskih dimenzija, stabilne u vodenoj koloidnoj otopini u širokom rasponu pH vrijednosti. Sol (natrijev klorid) koristi se za stabilizaciju nanodijamanata u vodenoj suspenziji.

 
Saznajte više o ultrazvučnoj deagregaciji nanodijamanata za pripremu uzoraka prije analize!
 

Ultrazvučno mljevenje nanodijamanata nadmašuje mlinove s kuglicama

Ultrazvučni uređaji sa sondom vrlo su efikasni mlinovi i uspostavljena su tehnika mljevenja za veliku proizvodnju suspenzija nanodijamanata u industrijskim razmjerima. Budući da ultrazvučni mlinovi koriste same nanodijamante kao medij za mljevenje, kontaminacija medijem za mljevenje, npr. od cirkonijskih kuglica, potpuno je izbjegnuta. Umjesto toga, ultrazvučne kavitacijske sile ubrzavaju čestice tako da se nanodijamanti žestoko sudaraju jedni s drugima i razbijaju na ujednačenu nanometarsku veličinu. Ovaj ultrazvukom izazvan sudar među česticama vrlo je efikasna i pouzdana metoda za proizvodnju ravnomjerno raspoređenih nanodisperzija.
Metoda ultrazvučne disperzije i deagregacije koristi aditive topive u vodi, netoksične i nekontaminirajuće, kao što su natrijev klorid ili saharoza, za regulaciju pH vrijednosti i stabilizaciju ultrazvučne disperzije. Ove kristalne strukture natrijevog klorida ili saharoze dodatno djeluju kao medij za mljevenje i tako podupiru postupak ultrazvučnog mljevenja. Kada je proces mljevenja završen, ti se aditivi mogu lako ukloniti jednostavnim ispiranjem vodom, što je izuzetna prednost u odnosu na postupak s keramičkim kuglicama. Tradicionalno mljevenje kuglicama, kao što su atritori, koristi netopive keramičke medije za mljevenje (npr. kugle, kuglice ili perle), čiji istrošeni ostaci kontaminiraju završnu disperziju. Uklanjanje kontaminacije uzrokovane medijem za mljevenje zahtijeva složenu naknadnu obradu te je dugotrajno i skupo.

Tehnologija ultrazvučnog dispergiranja efikasno proizvodi vodene suspenzije nanodijamanata s uskom raspodjelom veličine čestica.
(Studija i grafika: ©Turcheniuk et al., 2016)

Primjer protokola za ultrazvučno dispergiranje nanodijamanata

Ultrazvučna deagregacija nanodijamanata u vodi uz pomoć soli:
Smjesa od 10 g natrijevog klorida i 0,250 g praha nanodijamanata kratko je ručno samljevena u porculanskom tarioniku s tučkom te stavljena u staklenu bočicu od 20 mL zajedno s 5 mL DI vode. Pripremljeni uzorak podvrgnut je ultrazvučnoj obradi ultrazvučnim uređajem sa sondom tokom 100 min pri 60% izlazne snage i 50% radnog ciklusa. Nakon ultrazvučne obrade uzorak je podjednako podijeljen u dvije plastične Falcon centrifugalne epruvete od 50 mL i dispergiran u destiliranoj vodi do ukupnog volumena od 100 mL (2 × 50 mL). Svaki uzorak zatim je centrifugiran u Eppendorf centrifugi 5810-R pri 4000 rpm i 25°C tokom 10 min, a bistri supernatant je odbačen. Mokri ND talozi zatim su ponovo dispergirani u destiliranoj vodi (ukupni volumen 100 mL) i centrifugirani drugi put pri 12.000 rpm i 25 °C tokom 1 h. Ponovo je odbačen bistri supernatant, a mokri talozi nanodijamanata ponovo su dispergirani, ovaj put u 5 mL destilirane vode radi karakterizacije. Standardni test s AgNO3 pokazao je potpuno odsustvo Cl⁻ u nanodijamantima deagregiranim ultrazvukom uz pomoć soli, koji su dvaput isprani destiliranom vodom kako je gore opisano. Nakon isparavanja vode iz uzoraka uočeno je stvaranje crnih čvrstih “čipsova” nanodijamanata s prinosom od ∼200 mg ili 80% početne mase nanodijamanata. (vidi sliku ispod)
(usp. Turcheniuk et al., 2016)

Osušeni uzorak ultrazvučno dispergiranih nanodijamanata.
(Studija i grafika: ©Turcheniuk et al., 2016)

Visokoučinkoviti ultrazvučni uređaji za disperzije nanodijamanata

Hielscher Ultrasonics projektuje, proizvodi i distribuira visokoučinkovitu opremu za ultrazvučno mljevenje i dispergiranje za zahtjevne primjene kao što su proizvodnja suspenzija nanodijamanata, sredstava za poliranje i nanokompozita. Hielscher ultrazvučni uređaji koriste se širom svijeta za dispergiranje nanomaterijala u vodene koloidne suspenzije, polimere, smole, premaze i druge visokoučinkovite materijale.
Hielscher ultrazvučni dispergatori pouzdani su i efikasni pri obradi materijala niske do visoke viskoznosti. Ovisno o ulaznim materijalima i ciljnoj konačnoj veličini čestica, ultrazvučni intenzitet može se precizno podesiti radi optimalnih rezultata procesa.
Da bi obradio viskozne paste, nanomaterijale i visoke koncentracije čvrstih tvari, ultrazvučni dispergator mora biti sposoban kontinuirano proizvoditi visoke amplitude. Industrijski ultrazvučni procesori tvrtke Hielscher Ultrasonics mogu isporučiti vrlo visoke amplitude u kontinuiranom radu pod punim opterećenjem. Amplitude do 200µm mogu se lako održavati u radu 24/7. Mogućnost rada ultrazvučnog dispergatora pri visokim amplitudama i precizno podešavanje amplitude neophodni su za prilagođavanje uvjeta ultrazvučnog procesa radi optimalne formulacije visokopunjenih nanosuspenzija, polimernih smjesa ojačanih nanomaterijalima i nanokompozita.
Osim ultrazvučne amplitude, pritisak je još jedan vrlo važan procesni parametar. Pri povišenim pritiscima pojačava se intenzitet ultrazvučne kavitacije i njenih smičnih sila. Hielscher ultrazvučni reaktori mogu se staviti pod pritisak, čime se postižu intenzivniji rezultati ultrazvučne obrade.
Praćenje procesa i bilježenje podataka važni su za kontinuiranu standardizaciju procesa i kvalitetu proizvoda. Priključni senzori pritiska i temperature povezuju se s ultrazvučnim generatorom radi praćenja i kontrole procesa ultrazvučnog dispergiranja. Svi važni procesni parametri, kao što su ultrazvučna energija (neto + ukupna), temperatura, pritisak i vrijeme, automatski se protokoliraju i pohranjuju na ugrađenu SD karticu. Pristupom automatski zabilježenim procesnim podacima možete pregledati prethodne cikluse ultrazvučne obrade i procijeniti rezultate procesa.
Još jedna funkcija prilagođena korisniku jeste daljinsko upravljanje putem preglednika kod naših digitalnih ultrazvučnih sistema. Putem daljinskog upravljanja preko preglednika možete pokrenuti, zaustaviti, podesiti i nadzirati svoj ultrazvučni procesor na daljinu, s bilo kojeg mjesta.
Kontaktirajte nas već danas i saznajte više o našim visokoučinkovitim ultrazvučnim homogenizatorima za mljevenje i nanodisperzije!
Tabela ispod daje vam orijentacijski prikaz približnog kapaciteta obrade naših ultrazvučnih uređaja: