Nanodiamanty dispergované ve vodné suspenzi se sonikací

Nanodiamantové disperze lze rychle a efektivně připravit pomocí sonikátorů Hielscher. Ve vodné suspenzi zajišťuje ultrazvuková deagregace spolehlivý rozpad agregátů a tvorbu stabilních koloidů. V kombinaci s jednoduchým přídavkem soli pro úpravu pH poskytuje tato metoda snadný, levný a nekontaminující přístup. Díky své rozšiřitelnosti a jednoduchému provedení je ultrazvuková disperze velmi vhodná nejen pro laboratorní výzkum, ale také pro průmyslové zpracování nanodiamantů.

Efektivní deagregace nanodiamantů bez kontaminace

Nanodiamanty se stále více uplatňují v biomedicíně, kvantových technologiích, tribologii a pokročilých kompozitech, avšak jejich vnitřní tendence vytvářet tvrdé agregáty často omezuje jejich výkonnost. Dosažení stabilních koloidů diskrétních částic je proto nezbytným předpokladem pro přesnou charakterizaci a spolehlivé použití. Běžné metody deagregace často využívají drsné techniky mletí, které vnášejí zirkon nebo jiné nečistoty, což komplikuje čištění a omezuje biomedicínské využití. Ultrazvuková disperze nabízí rychlou, škálovatelnou a bezkontinuitní alternativu. Sonikátory sondového typu, které používají akustickou kavitaci ve vodném prostředí, účinně rozkládají agregáty na jednociferné nanodiamanty. V kombinaci s jednoduchou modulací pH pomocí solí poskytuje tato metoda stabilní koloidy v širokém rozsahu pH bez vzniku toxických vedlejších produktů, což ji činí velmi atraktivní jak pro laboratorní výzkum, tak pro průmyslovou výrobu.

Nanodiamanty mohou být účinné a spolehlivě dispergované pomocí Hielscher ultrasonicators.

Jak funguje ultrazvukové frézování a disperze nanodiamantů?

Ultrazvuková disperze využívá samotné nanodiamanty jako mlecí médium. Akustická kavitace generovaná vysoce výkonnými ultrazvukovými vlnami vytváří vysokorychlostní proudění kapaliny. Tyto proudy kapaliny urychlují částice (např. diamanty) v kaši tak, že se částice srážejí rychlostí až 280 km/s a rozpadají se na drobné částice nanovelikosti. Díky tomu je ultrazvukové mletí a disperze snadnou, levnou technikou bez kontaminantů, která spolehlivě deaglomeruje nanodiamant na nanočástice stabilní ve vodném koloidním roztoku v širokém rozmezí pH. Sůl (chlorid sodný) se používá ke stabilizaci nanodiamantů ve vodné suspenzi.
 

 
Zjistěte více o ultrazvukové deagregaci nanodiamantů pro preanalytickou přípravu vzorků!
 

Ultrazvukové frézování nanodiamantů Exceluje perlové mlýny

Ultrazvukové přístroje typu sondy jsou vysoce účinné mlýny a jsou zavedenou mlecí technikou pro velkosériovou výrobu nanodiamantových suspenzí v průmyslovém měřítku. Vzhledem k tomu, že ultrazvukové mlýny používají nanodiamanty jako mlecí médium, je zcela zabráněno kontaminaci mlecím médiem, např. zirkonovými kuličkami. Místo toho ultrazvukové kavitační síly urychlují částice tak, že se nanodiamanty navzájem prudce srážejí a rozpadají se na jednotnou nanovelikost. Tato ultrazvukem indukovaná srážka mezi částicemi je vysoce účinná a spolehlivá metoda pro výrobu rovnoměrně rozložených nanodisperzí.
Ultrazvuková disperzní a deagregační metoda používá ve vodě rozpustné, netoxické a nekontaminující přísady, jako je chlorid sodný nebo sacharóza, pro regulaci pH a stabilizaci ultrazvukové disperze. Tyto krystalové struktury chloridu sodného nebo sacharózy působí navíc jako mlecí médium, čímž podporují postup ultrazvukového frézování. Po dokončení procesu mletí lze tyto přísady snadno odstranit jednoduchým opláchnutím vodou, což je pozoruhodná výhoda oproti procesním keramickým kuličkám. Tradiční frézování kuliček, jako jsou atritory, používá nerozpustná keramická mlecí média (např. kuličky, perle nebo perly), jejichž abrazivní zbytky kontaminují konečnou disperzi. Odstranění nečistot způsobených mletými médii vyžaduje složité následné zpracování a je časově i finančně náročné.

Ultrazvuková dispergační technologie účinně produkuje vodné nanodiamantové suspenze s úzkou distribucí velikosti částic.
(Studie a grafika: ©Turcheniuk et al., 2016)

Příkladný protokol pro ultrazvukovou disperzi nanodiamantů

Ultrazvuková deagregace nanodiamantů ve vodě s pomocí soli:
Směs 10 g chloridu sodného a 0,250 g nanodiamantového prášku byla krátce ručně rozemleta pomocí porcelánového hmoždíře a tloučku a umístěna do 20 ml skleněné lahvičky spolu s 5 ml DI vody. Připravený vzorek byl sonikován pomocí ultrazvuku typu sondy po dobu 100 minut při 60% výstupním výkonu a 50% pracovním cyklu. Po sonikaci byl vzorek rovnoměrně rozdělen mezi dvě 50 ml plastové centrifugační zkumavky Falcon a dispergován v destilované vodě až do celkového objemu 100 ml (2 × 50 ml). Každý vzorek byl poté odstředěn pomocí centrifugy Eppendorf 5810-R při 4000 ot./min a 25 °C po dobu 10 minut a čirý supernatant byl zlikvidován. Vlhké ND sraženiny byly poté znovu dispergovány v destilované vodě (celkový objem 100 ml) a odstředěny podruhé při 12000 otáčkách za minutu a 25 °C po dobu 1 hodiny. Čirý supernatant byl opět zlikvidován a vlhké sraženiny nanodiamantů byly znovu dispergovány, tentokrát v 5 ml destilované vody pro charakterizaci. Standardní test AgNO3 prokázal úplnou absenci Cl⁻ v ultrazvukově deagregovaných nanodiamantech s asistencí soli dvakrát promytých destilovanou vodou, jak je popsáno výše. Po odpaření vody ze vzorků se vytvořily černé pevné nanodiamanty. “hranolky” s výtěžkem ∼200 mg nebo 80 % původní hmotnosti nanodiamantu. (viz obrázek níže)
(srov. Turcheniuk et al., 2016)

Vysušený vzorek ultrazvukem dispergovaných nanodiamantů.
(Studie a grafika: ©Turcheniuk et al., 2016)

Vysoce výkonné ultrazvukové přístroje pro nanodiamantové disperze

Hielscher Ultrasonics navrhuje, vyrábí a distribuuje vysoce výkonná ultrazvuková frézovací a dispergační zařízení pro náročné aplikace, jako je výroba nanodiamantových suspenzí, leštících médií a nanokompozitů. Hielscher ultrasonicators se používají po celém světě pro dispergaci nanomateriálů do vodných koloidních suspenzí, polymerů, pryskyřic, povlaků a dalších vysoce výkonných materiálů.
Hielscher ultrazvukové dispergátory jsou spolehlivé a účinné při zpracování s nízkou až vysokou viskozitou. V závislosti na vstupních materiálech a cílové konečné velikosti částic lze přesně nastavit ultrazvukovou intenzitu pro optimální výsledky procesu.
Aby bylo možné zpracovávat viskózní pasty, nanomateriály a vysoké koncentrace pevných látek, musí být ultrazvukový dispergátor schopen produkovat kontinuálně vysoké amplitudy. Hielscher Ultrazvuk’ Průmyslové ultrazvukové procesory mohou poskytovat velmi vysoké amplitudy v nepřetržitém provozu při plném zatížení. Amplitudy až 200 μm lze snadno provozovat v provozu 24/7. Možnost provozu ultrazvukového dispergátoru při vysokých amplitudách a přesného nastavení amplitudy je nezbytná pro přizpůsobení ultrazvukových procesních podmínek pro optimální formulaci vysoce plněných nanosuspenzí, nano vyztužených polymerních směsí a nanokompozitů.
Kromě ultrazvukové amplitudy je dalším velmi důležitým parametrem procesu tlak. Při zvýšených tlacích se intenzita ultrazvukové kavitace a její smykové síly zvyšují. Hielscherovy ultrazvukové reaktory mohou být pod tlakem, čímž se získají intenzivnější výsledky sonikace.
Monitorování procesů a záznam dat jsou důležité pro průběžnou standardizaci procesů a kvalitu výrobků. Zásuvné snímače tlaku a teploty jsou připojeny k ultrazvukovému generátoru pro monitorování a řízení procesu ultrazvukové disperze. Všechny důležité parametry zpracování, jako je ultrazvuková energie (čistá + celková), teplota, tlak a čas, jsou automaticky protokolovány a ukládány na vestavěnou SD kartu. Přístupem k automaticky zaznamenaným procesním datům můžete revidovat předchozí běhy ultrazvuku a vyhodnotit výsledky procesu.
Další uživatelsky přívětivou funkcí je dálkové ovládání našich digitálních ultrazvukových systémů pomocí prohlížeče. Prostřednictvím dálkového ovládání prohlížeče můžete spouštět, zastavovat, nastavovat a sledovat ultrazvukový procesor na dálku odkudkoli.
Kontaktujte nás a dozvíte se více o našich vysoce výkonných ultrazvukových homogenizátorech pro mletí a nanodisperze!
Níže uvedená tabulka vám poskytuje přibližný přehled o zpracovatelské kapacitě našich ultrasonicators: