Ultrazvuková syntéza nanodiamantů

Od grafitu k diamantu: výkonový ultrazvuk nabízí slibnou cestu k syntéze mikrokrystalických a nanokrystalických diamantů při pokojové teplotě a atmosférickém tlaku. Intenzivní akustická kavitace umožňuje vznik diamantů v suspenzích grafitu v organických kapalinách. Kromě syntézy podporuje sonikace účinnou dispergaci, deaglomeraci a funkcionalizaci vzniklých nanodiamantů – je tak všestranným nástrojem pro výrobu i následné zpracování.

Ultrazvuk pro zpracování nanodiamantů

Nanodiamanty (nazývané také detonační diamanty (DND) nebo ultradisperzní diamanty (UDD)) jsou zvláštní formou uhlíkových nanomateriálů, které se vyznačují jedinečnými vlastnostmi – jako je jejich krystalová mřížka, velký povrch a také jedinečné optické a magnetické vlastnosti – a výjimečnými funkcemi. Vlastnosti ultradisperzních částic z těchto materiálů činí inovativní sloučeniny pro vytváření nových materiálů s mimořádnými funkcemi. Velikost diamantových částic v sazích je přibližně 5nm.

Ultrazvukem syntetizované nanodiamanty

Syntéza diamantů je důležitou oblastí výzkumu z hlediska vědeckých i komerčních zájmů. Běžně používaným postupem pro syntézu mikrokrystalických a nanokrystalických diamantových částic je technika vysokého tlaku a vysoké teploty (HPHT). Při této metodě se vytváří potřebný procesní tlak desítek tisíc atmosfér a teploty vyšší než 2000K, čímž se vyrábí hlavní část celosvětové produkce průmyslových diamantů. Pro přeměnu grafitu na diamant jsou obecně zapotřebí vysoké tlaky a vysoké teploty a ke zvýšení výtěžku diamantu se používají katalyzátory.
Tyto podmínky potřebné pro přeměnu lze velmi efektivně vytvořit pomocí výkonového ultrazvuku (= nízkofrekvenčního ultrazvuku o vysoké intenzitě):

Ultrazvuková kavitace

Ultrazvuk v kapalinách lokálně vyvolává velmi extrémní účinky. Při sonikaci kapalin o vysokých intenzitách vedou zvukové vlny šířící se kapalným médiem ke střídání cyklů vysokého tlaku (komprese) a nízkého tlaku (zředění), jejichž rychlost závisí na frekvenci. Během cyklu nízkého tlaku vytvářejí ultrazvukové vlny o vysoké intenzitě v kapalině malé vakuové bublinky neboli dutiny. Když bublinky dosáhnou objemu, při kterém již nemohou absorbovat energii, během cyklu vysokého tlaku prudce zkolabují. Tento jev se nazývá kavitace. Během imploze se lokálně dosahuje velmi vysokých teplot (přibl. 5 000K) a tlaků (přibl. 2 000atm). Imploze kavitační bubliny má také za následek vznik kapalinových proudů o rychlosti až 280m/s. (Suslick 1998) Je zřejmé, že mikro- a nanokrystalické diamanty mohou být syntetizovány v poli ultrazvukové kavitace.

V tomto videu vám představíme ultrazvukový systém s výkonem 2 kilowatty pro průtočný provoz ve skříni s proplachem. Hielscher dodává ultrazvukové přístroje téměř do všech průmyslových odvětví, například do chemického, farmaceutického a kosmetického průmyslu, pro petrochemické procesy i pro extrakční procesy využívající rozpouštědla. Tato nerezová skříň s proplachem je určena pro provoz v prostředí s nebezpečím výbuchu. Zákazník může utěsněnou skříň proplachovat dusíkem nebo čerstvým vzduchem, aby zabránil vnikání hořlavých plynů nebo par do jejího vnitřního prostoru.

Ultrazvukový postup syntézy nanodiamantů

Studie Khachatryana et al. (2008) de facto ukazuje, že diamantové mikrokrystaly lze syntetizovat také sonikací suspenze grafitu v organické kapalině za atmosférického tlaku a pokojové teploty. Jako kavitační kapalina byla zvolena směs aromatických oligomerů kvůli jejímu nízkému tlaku nasycených par a vysoké teplotě varu. V této kapalině byl suspendován speciální čistý grafitový prášek – s částicemi o velikosti v rozmezí 100–200 µm. V experimentech Kachatryana et al. byl hmotnostní poměr pevné fáze ke kapalině 1:6 a hustota kavitační kapaliny byla 1,1g cm^-3 při 25°C. Maximální intenzita ultrazvuku v sonoreaktoru činila 75–80W cm^-2 , což odpovídá amplitudě akustického tlaku 15–16 bar.
Bylo dosaženo přibližně 10% konverze grafitu na diamant. Diamanty byly téměř monodisperzní s velmi úzkou, dobře definovanou velikostí v rozmezí 6 nebo 9μm ± 0,5μm, s kubickou, krystalickou morfologií a vysokou čistotou.

Odhaduje se, že náklady na mikro- a nanodiamanty vyrobené touto metodou jsou konkurenceschopné ve srovnání 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 dalším výzkumem optimalizovat. Mnoho parametrů, jako je amplituda, tlak, teplota, kavitační kapalina a koncentrace, je nutné přesně prozkoumat, aby bylo možné nalézt optimum ultrazvukové syntézy nanodiamantů.
Na základě výsledků dosažených při syntéze nanodiamantů nabízí ultrazvukem generovaná kavitace dále potenciál pro syntézu dalších důležitých sloučenin, jako je kubický nitrid boru, nitrid uhlíku atd. (Khachatryan et al. 2008)
Dále se zdá, že je možné vytvářet diamantové nanodráty a nanotyčinky z vícestěnných uhlíkových nanotrubic (MWCNT) působením ultrazvukového ozařování. Diamantové nanodráty jsou jednorozměrnými analogy objemového diamantu. Díky svému vysokému modulu pružnosti, poměru pevnosti k hmotnosti a relativní snadnosti, s jakou lze funkcionalizovat jeho povrchy, byl diamant shledán optimálním materiálem pro nanomechanické konstrukce. (Sun et al. 2004)

Ultrazvuková dispergace nanodiamantů

Jak již bylo popsáno, deaglomerace a rovnoměrná distribuce velikosti částic v médiu jsou nezbytné pro úspěšné využití jedinečných vlastností nanodiamantů.
Disperze a deaglomerace pomocí sonikace jsou výsledkem ultrazvukové kavitace. Při působení ultrazvuku na kapaliny vedou zvukové vlny šířící se kapalinou ke střídání cyklů vysokého a nízkého tlaku. Tím vzniká mechanické namáhání, které působí proti přitažlivým silám mezi jednotlivými částicemi. Ultrazvuková kavitace v kapalinách vyvolává vysokorychlostní kapalinové proudy o rychlosti až 1000km/hr (přibl. 600mph). Tyto proudy vtlačují kapalinu pod vysokým tlakem mezi částice a oddělují je od sebe. Menší částice jsou kapalinovými proudy urychlovány a srážejí se vysokými rychlostmi. Díky tomu je ultrazvuk účinným prostředkem nejen pro dispergaci, ale také pro mletí mikronových a submikronových částic.
Například nanodiamanty (průměrná velikost přibližně 4nm) a polystyren lze dispergovat v cyklohexanu a získat tak speciální kompozit. Chipara et al. (2010) ve své studii připravili kompozity polystyrenu a nanodiamantů obsahující nanodiamanty v rozmezí 0 až 25% hmotnostních. Pro dosažení rovnoměrné disperze sonikovali roztok po dobu 60 min výkonným sonikátorem Hielscher o výkonu 1000 wattů, model UIP1000hd.
Zjistěte více o ultrazvukové deagregaci nanodiamantů!

Ultrazvukem podporovaná funkcionalizace nanodiamantů

Pro funkcionalizaci celého povrchu každé nanočástice musí být povrch částice dostupný pro chemickou reakci. To znamená, že je nutná rovnoměrná a jemná disperze, protože dobře dispergované částice jsou obklopeny hraniční vrstvou molekul přitahovaných k povrchu částice. Aby se na povrch nanodiamantů dostaly nové funkční skupiny, musí být tato hraniční vrstva narušena nebo odstraněna. Tento proces narušení a odstranění hraniční vrstvy lze provést pomocí ultrazvuku.
Ultrazvuk zavedený do kapaliny vytváří různé extrémní efekty, jako je kavitace, lokálně velmi vysoká teplota až 2000K a kapalinové proudy o rychlosti až 1000km/hr. (Suslick 1998) Těmito stresovými faktory lze překonat přitažlivé síly (např. Van der Waalsovy síly) a funkční molekuly jsou přeneseny k povrchu částice, který má být funkcionalizován, např. k povrchu nanodiamantů.

Slibné výsledky pro povrchovou funkcionalizaci nanodiamantů ukázaly také experimenty s ošetřením metodou Bead-Assisted Sonic Disintegration (BASD). Přitom byly kuličky (např. mikrometrové keramické kuličky, jako jsou kuličky ZrO2) použity k zesílení působení ultrazvukových kavitačních sil na částice nanodiamantů. Deaglomerace nastává v důsledku mezičásticových srážek mezi částicemi nanodiamantů a ZrO₂ kuličkami.
Vzhledem k lepší dostupnosti povrchu částic se pro chemické reakce, jako je redukce boranem, arylace nebo silanizace, důrazně doporučuje ultrazvuková předúprava nebo předúprava BASD (bead-assisted sonic disintegration) za účelem dispergace. Díky ultrazvukové dispergaci a deaglomeraci může chemická reakce proběhnout mnohem úplněji.