Ultrazvuková syntéza nanodiamantů

• Díky své intenzivní kavitační síle je výkonový ultrazvuk slibnou technikou pro výrobu mikronů a nano diamantů z grafitu.
• Mikro- a nanokrystalické diamanty mohou být syntetizovány sonikující suspenzí grafitu v organické kapalině při atmosférickém tlaku a pokojové teplotě.
• Ultrazvuk je také užitečným nástrojem pro následné zpracování syntetizovaných nano diamantů, protože ultrazvuku velmi účinně disperguje, deaglomeruje a funkcionalizuje nanočástice.

Ultrazvuk pro ošetření nanodiamanty

Nanodiamanty (nazývané také detonační diamanty (DND) nebo ultradispergované diamanty (UDD)) jsou speciální formou uhlíkových nanomateriálů, které se vyznačují jedinečnými vlastnostmi – jako je mříž struktura, její velká Povrch, stejně jako jedinečné optický a magnetický vlastnosti – a výjimečné aplikace. Vlastnosti ultradispergovaných částic činí z těchto materiálů inovativní sloučeniny pro vytváření nových materiálů s mimořádnými funkcemi. Velikost diamantových částic v sazích je asi 5 nm.

Při intenzivních silách, jako je sonikace nebo detonace, může být grafit přeměněn na diamant.

Ultrazvukem syntetizované nanodiamanty

Syntéza diamantů je důležitou oblastí výzkumu s ohledem na vědecké a komerční zájmy. Běžně používaným procesem syntézy mikrokrystalických a nanokrystalických diamantových částic je technika vysokého tlaku a vysoké teploty (HPHT). Touto metodou se generuje požadovaný procesní tlak desítek tisíc atmosfér a teploty více než 2000 K, aby se vyrobila hlavní část celosvětové dodávky průmyslového diamantu. Pro přeměnu grafitu na diamant jsou obecně vyžadovány vysoké tlaky a vysoké teploty a ke zvýšení výtěžnosti diamantu se používají katalyzátory.
Tyto požadavky potřebné pro transformaci mohou být generovány velmi efektivně pomocí vysoce výkonný ultrazvuk (= ultrazvuk s nízkou frekvencí a vysokou intenzitou):

Ultrazvuková kavitace

Ultrazvuk v kapalinách způsobuje lokálně velmi extrémní účinky. Při sonikaci kapalin s vysokou intenzitou mají zvukové vlny, které se šíří do kapalného média, za následek střídání vysokotlakých (kompresních) a nízkotlakých (zředění) cyklů, přičemž rychlosti závisí na frekvenci. Během nízkotlakého cyklu vytvářejí ultrazvukové vlny s vysokou intenzitou v kapalině malé vakuové bubliny nebo dutiny. Když bubliny dosáhnou objemu, ve kterém již nemohou absorbovat energii, během vysokotlakého cyklu se prudce zhroutí. Tento jev se nazývá kavitace. Během imploze jsou lokálně dosahovány velmi vysoké teploty (cca 5 000 K) a tlaky (cca 2 000 atm). Imploze kavitační bubliny má také za následek trysky kapaliny o rychlosti až 280 m/s. (Šušlick 1998) Je zřejmé, že mikro- a nanokrystalické Diamanty mohou být syntetizovány v oblasti ultrazvukových kavitace.

Ultrazvukový postup pro syntézu nanodiamantů

Studie Khachatryana et al. (2008) de facto ukazuje, že diamantové mikrokrystaly mohou být také syntetizovány ultrazvukem suspenze grafitu v organické kapalině při atmosférickém tlaku a pokojové teplotě. Jako kavitační kapalina byl zvolen vzorec aromatických oligomerů kvůli nízkému tlaku nasycených par a vysoké teplotě varu. V této kapalině je speciální čistý grafitový prášek – s částicemi v rozmezí 100-200 μm – byl suspendován. V experimentech Kachatryana a kol. byl hmotnostní poměr pevná látka-tekutina 1:6, hustota kavitační tekutiny byla 1,1 g cm^-3 při 25°C. Maximální ultrazvuková intenzita v sonoreaktoru byla 75-80W cm^-2 odpovídající amplitudě akustického tlaku 15–16 barů.
Bylo dosaženo přibližně 10% přeměny grafitu na diamant. Diamanty byly téměř monodispergované s velmi ostrým, dobře navrženým rozměrem v rozmezí 6 nebo 9 μm ± 0,5 μm, s kubickým, krystalický Morfologie a vysoká čistota.

SEM snímky ultrazvukem syntetizovaných diamantů: obrázky (a) a (b) ukazují vzorkovou sérii 1, (c) a (d) vzorkovou sérii 2. [Khachatryan et al. 2008]

Ten náklady mikro- a nanodiamantů vyrobených touto metodou se odhaduje na soutěživý s procesem vysokého tlaku a vysoké teploty (HPHT). Díky tomu je ultrazvuk inovativní alternativou pro syntézu mikro- a nanodiamantů (Khachatryan et al. 2008), zejména proto, že výrobní proces nanodiamantů lze optimalizovat dalším výzkumem. Mnoho parametrů, jako je amplituda, tlak, teplota, kavitační tekutina a koncentrace, musí být přesně prozkoumáno, aby se objevilo sladké místo ultrazvukové syntézy nanodiamantů.
Dosaženými výsledky při syntéze nanodiamantů, dále ultrazvukem generovaných kavitace nabízí potenciál pro syntézu dalších důležitých sloučenin, jako je kubický nitrid boru, nitrid uhlíku atd. (Khachatryan et al. 2008)
Dále se zdá, že je možné vytvořit diamantové nanodrátky a nanotyčinky z vícestěnných uhlíkových nanotrubic (MWCNT) pod ultrazvukovým ozářením. Diamantové nanodrátky jsou jednorozměrné analogy objemového diamantu. Díky vysokému modulu pružnosti, poměru pevnosti k hmotnosti a relativní snadnosti, s jakou lze jeho povrchy funkcionalizovat, bylo zjištěno, že diamant je optimálním materiálem pro nanomechanické návrhy. (Sun et al. 2004)

Ultrazvuková dispergace nanodiamantů

Jak již bylo popsáno, deaglomerace a rovnoměrná distribuce velikosti částic v médiu jsou zásadní pro úspěšné využití jedinečných vlastností nanodiamantů.
disperze a deaglomerace ultrazvukem jsou výsledkem ultrazvuku kavitace. Při vystavení kapalin ultrazvuku mají zvukové vlny, které se šíří do kapaliny, za následek střídání vysokotlakých a nízkotlakých cyklů. Tím se mechanicky zatěžují přitažlivé síly mezi jednotlivými částicemi. Ultrazvuková kavitace v kapalinách způsobuje vysokorychlostní trysky kapaliny až 1000 km/h (přibližně 600 mph). Takové trysky tlačí kapalinu pod vysokým tlakem mezi částice a oddělují je od sebe. Menší částice jsou urychlovány s tryskami kapaliny a srážejí se vysokou rychlostí. Díky tomu je ultrazvuk účinným prostředkem pro dispergaci, ale také pro drcení částic o velikosti mikronů a submikronů.
Například nanodiamanty (průměrná velikost asi 4 nm) a polystyren mohou být dispergovány v cyklohexanu a získat tak speciální kompozit. Chipara et al. (2010) ve své studii připravili kompozity z polystyrenu a nanodiamantů, které obsahují nanodiamanty v rozmezí od 0 do 25 % hmotnosti. Chcete-li získat rovnoměrný disperze, sonikovali roztok po dobu 60 minut s Hielscher je UIP1000hd řekl: (1kW).

Ultrazvukem asistovaná funkcionalizace nanodiamantů

Pro funkcionalizaci celého povrchu každé nanočástice musí být povrch částice k dispozici pro chemickou reakci. To znamená, že je nutná rovnoměrná a jemná disperze, protože dobře dispergované částice jsou obklopeny mezní vrstvou molekul přitahovaných k povrchu částic. Aby se na povrch nanodiamantů dostaly nové funkční skupiny, musí být tato mezní vrstva přerušena nebo odstraněna. Tento proces rozbití a odstranění mezní vrstvy může být proveden ultrazvukem.
Ultrazvuk zavedený do kapaliny vyvolává různé extrémní účinky, jako je kavitace, lokálně velmi vysoká teplota až 2000 K a kapalné trysky až 1000 km/h. (Suslick 1998) Těmito stresovými faktory lze překonat přitažlivé síly (např. Van-der-Waalsovy síly) a funkční molekuly jsou unášeny na povrch částice, kde se funkcionalizují, např. povrch nanodiamantů.

Schéma 1: Grafika in situ-deaglomerace a povrchové funkcionalizace nanodiamantů (Liang 2011)

Experimenty s úpravou Bead-Assisted Sonic Disintegration (BASD) ukázaly slibné výsledky i pro povrchovou funkcionalizaci nanodiamantů. Tímto způsobem byly kuličky (např. keramické kuličky mikrovelikosti, jako jsou kuličky ZrO2) použity k vynucení ultrazvukového kavitační síly působící na nanodiamantové částice. K deaglomeraci dochází v důsledku mezikonkrétní srážky mezi částicemi nanodiamantu a ZrO₂ korálky.
Vzhledem k lepší dostupnosti povrchu částic se pro chemické reakce, jako je redukce bóru, arylace nebo silanizace, důrazně doporučuje ultrazvuková nebo BASD (bead-assisted sonic disintegration) předúprava pro dispergační účely. Ultrazvukem Dispergující a deaglomerace Chemická reakce může probíhat mnohem úplněji.