Ultralydsyntese af nanodiamanter
- På grund af sin intense kavitationskraft er power ultrasound en lovende teknik til at producere mikron- og nanostørrelse diamanter fra grafit.
- Mikro- og nanokrystallinske diamanter kan syntetiseres sonikere en suspension af grafit i organisk væske ved atmosfærisk tryk og stuetemperatur.
- Ultralyd er også et nyttigt værktøj til efterbehandling af de syntetiserede nanodiamanter, da ultralydbehandling spreder, deagglomererer og funktionaliserer nanopartikler meget effektivt.
Ultralyd til behandling af nanodiamanter
Nanodiamanter (også kaldet detonationsdiamanter (DND) eller ultradispergerede diamanter (UDD)) er en særlig form for kulstofnanomaterialer, der er kendetegnet ved unikke egenskaber - såsom gitterstrukturen, den store overflade samt unikke optiske og magnetiske egenskaber - og enestående funktionaliteter. De ultradisperse partiklers egenskaber gør disse materialer til innovative forbindelser til skabelse af nye materialer med ekstraordinære funktioner. Størrelsen på diamantpartiklerne i sodet er ca. 5 nm.
Under intense kræfter, såsom sonikering eller detonation, kan grafit omdannes til diamant.
Ultralydssyntetiserede nanodiamanter
Syntese af diamanter er et vigtigt forskningsfelt i forhold til videnskabelige og kommercielle interesser. Den almindeligt anvendte proces til syntese af mikrokrystallinske og nanokrystallinske diamantpartikler er højtryks-højtemperatur-teknikken (HPHT). Ved denne metode genereres det krævede procestryk på titusindvis af atmosfærer og temperaturer på mere end 2000K for at producere hovedparten af den verdensomspændende forsyning af industriel diamant. Til omdannelse af grafit til diamant kræves generelt høje tryk og høje temperaturer, og katalysatorer bruges til at øge udbyttet af diamant.
Disse krav, der er nødvendige for omstillingen, kan genereres meget effektivt ved hjælp af ultralyd med høj effekt (= lavfrekvent ultralyd med høj intensitet):
ultralyd kavitation
Ultralyd i væsker forårsager lokalt meget ekstreme effekter. Ved sonikering af væsker ved høje intensiteter resulterer lydbølgerne, der forplanter sig ind i det flydende medie, i skiftende højtryk (kompression) og lavtryk (sjældenhed) cyklusser, med hastigheder afhængigt af frekvensen. Under lavtrykscyklussen skaber ultralydsbølger med høj intensitet små vakuumbobler eller hulrum i væsken. Når boblerne opnår et volumen, hvor de ikke længere kan absorbere energi, kollapser de voldsomt under en højtrykscyklus. Dette fænomen kaldes Kavitation. Under implosionen nås meget høje temperaturer (ca. 5.000 K) og tryk (ca. 2.000 atm) lokalt. Implosionen af kavitationsboblen resulterer også i væskestråler med en hastighed på op til 280 m/s. (Suslick 1998) Det er indlysende, at mikro- og nano-krystallinsk Diamanter kan syntetiseres inden for ultralyd Kavitation.
Ultralydsprocedure til syntese af nanodiamanter
De facto, undersøgelsen af Khachatryan et al. (2008) viser, at diamantmikrokrystaller også kan syntetiseres ved ultralydbehandling af en suspension af grafit i organisk væske ved atmosfærisk tryk og stuetemperatur. Som kavitationsvæske er der valgt en formel af aromatiske oligomerer på grund af dets lave mættede damptryk og dets høje kogetemperatur. I denne væske er det specielle rene grafitpulver – med partikler i området mellem 100-200 μm – er blevet suspenderet. I eksperimenterne af Kachatryan et al. var vægtforholdet mellem fast og væske 1:6, kavitationsvæsketætheden var 1,1 g cm-3 ved 25°C. Den maksimale ultralydsintensitet i sonoreaktoren har været 75-80W cm-2 svarende til en lydtryksamplitude på 15-16 bar.
Det er opnået en konvertering på ca. 10 % grafit til diamant. Diamanterne var næsten mono-dispergeret med en meget skarp, veldesignet størrelse i området 6 eller 9 μm ± 0,5 μm, med kubisk, Krystallinsk morfologi og høj renhed.
SEM-billeder af de ultralydssyntetiserede diamanter: Billederne (a) og (b) viser prøveserien 1, (c) og (d) prøveserien 2. [Khachatryan et al. 2008]
Den omkostninger mikro- og nanodiamanter produceret ved denne metode anslås at være konkurrencedygtig med højtryk-højtemperatur-processen (HPHT). Dette gør ultralyd til et innovativt alternativ til syntese af mikro- og nanodiamanter (Khachatryan et al. 2008), især da produktionsprocessen af nanodiamanter kan optimeres ved yderligere undersøgelser. Mange parametre såsom amplitude, tryk, temperatur, kavitationsvæske og koncentration skal undersøges nøjagtigt for at opdage det søde sted ved ultralyds nanodiamantsyntese.
Ved de resultater, der er opnået ved syntetisering af nanodiamanter, genereres yderligere ultralyd Kavitation giver mulighed for syntese af andre vigtige forbindelser, såsom kubisk bornitrid, kulnitrid osv. (Khachatryan et al. 2008)
Yderligere ser det ud til at være muligt at skabe diamantnanotråde og nanostænger fra flervæggede kulstofnanorør (MWCNT'er) under ultralydsbestråling. Diamant nanotråde er endimensionelle analoger af bulk diamant. På grund af dets høje elasticitetsmodul, styrke-til-vægt-forhold og den relative lethed, hvormed dets overflader kan funktionaliseres, har diamant vist sig at være det optimale materiale til nanomekaniske designs. (Sun et al. 2004)
Ultralydsspredning af nanodiamanter
Som allerede beskrevet er deagglomerering og en jævn partikelstørrelsesfordeling i mediet afgørende for en vellykket udnyttelse af nanodiamanter.’ unikke egenskaber.
dispersion og deagglomeration ved ultralydbehandling er et resultat af ultralyd Kavitation. Når væsker udsættes for ultralyd, resulterer lydbølgerne, der forplanter sig i væsken, i skiftevis højtryks- og lavtrykscyklusser. Dette påfører mekanisk belastning på tiltrækningskræfterne mellem de enkelte partikler. Ultralydskavitation i væsker forårsager højhastigheds væskestråler på op til 1000 km / t (ca. 600 mph). Sådanne stråler presser væske ved højt tryk mellem partiklerne og adskiller dem fra hinanden. Mindre partikler accelereres med væskestrålerne og kolliderer ved høje hastigheder. Dette gør ultralyd til et effektivt middel til spredning, men også til Fræsning af partikler i mikronstørrelse og submikronstørrelse.
For eksempel kan nanodiamanter (gennemsnitlig størrelse på ca. 4 nm) og polystyren dispergeres i cyclohexan for at opnå en særlig komposit. I deres undersøgelse har Chipara et al. (2010) fremstillet kompositter af polystyren og nanodiamanter, der indeholder nanodiamanter i et område mellem 0 og 25 vægtprocent. For at opnå en jævn spredning sonikerede de opløsningen i 60 minutter med Hielscher 1000 watt kraftig sonikator model UIP1000hd.
Lær mere om ultralydsdeaggregering af nanodiamanter!
Ultralydassisteret funktionalisering af nanodiamanter
For at kunne funktionalisere hele overfladen af hver enkelt nano-partikel skal partikeloverfladen være tilgængelig for kemisk reaktion. Det betyder, at der kræves en jævn og fin dispersion, da de veldispergerede partikler er omgivet af et grænselag af molekyler, der tiltrækkes af partikeloverfladen. For at få nye funktionelle grupper til nanodiamanter’ overflade, skal dette grænselag brydes eller fjernes. Denne proces med at bryde og fjerne grænselaget kan udføres med ultralyd.
Ultralyd introduceret i væske genererer forskellige ekstreme effekter såsom Kavitation, lokalt meget høje temperaturer op til 2000 K og væskestråler på op til 1000 km/t. (Suslick 1998) Ved hjælp af disse stressfaktorer kan de tiltrækkende kræfter (f.eks. Van-der-Waals-kræfter) overvindes, og de funktionelle molekyler føres til overfladen af partiklen for at funktionalisere, f.eks. nanodiamanter.’ overflade.
Skema 1: Grafik over in situ-deagglomerering og overfladefunktionalisering af nanodiamanter (Liang 2011)
Eksperimenter med Bead-Assisted Sonic Disintegration (BASD) behandling har også vist lovende resultater for overfladefunktionalitet af nanodiamanter. Derved er perler (f.eks. keramiske perler i mikrostørrelse såsom ZrO2-perler) blevet brugt til at håndhæve ultralyden kavitationel kræfter på nanodiamantpartiklerne. Deagglomerationen opstår på grund af den indbyrdes kollision mellem nanodiamantpartiklerne og ZrO2 Perler.
På grund af den bedre tilgængelighed af partikler’ overflade, til kemiske reaktioner såsom Boran-reduktion, arylering eller silanisering, anbefales en ultralyds- eller BASD (perleassisteret sonisk desintegration) forbehandling til dispergeringsformål stærkt. Ved ultralyd Sprede og deagglomeration Den kemiske reaktion kan fortsætte meget mere fuldstændigt.
Ultralyd kaviatation resulterer i ekstreme temperatur- og trykforskelle og højhastigheds væskestråler. Derved er ultralyd en vellykket behandlingsmetode til blanding og fræsning.
Kontakt os! / Spørg os!
Litteratur/Referencer
- Khachatryan, A. Kh. et al.: Grafit-til-diamant-transformation induceret af ultralydskavitation. I: Diamond & Relaterede materialer 17, 2008; Side 931-936.
- Galimov, Erik & Kudin, A. & Skorobogatskii, V. & Plotnichenko, V. & Bondarev, O. & Zarubin, f. & Strazdovskii, V. & Aronin, Alexandr & Fisenko, A. & Bykov, I. & Barinov, A.. (2004): Eksperimentel bekræftelse af syntesen af diamant i kavitationsprocessen. Doklady Fysik – DOKL PHYS. 49. 150-153.
- Turcheniuk, K., Trecazzi, C., Deeleepojananan, C., & Mochalin, V. N. (2016): Saltassisteret ultralydsdeaggregering af nanodiamant. ACS anvendte materialer & Grænseflader, 8(38), 25461-25468.
- Basma H. Al-Tamimi, Iman I. Jabbar, Haitham M. Al-Tamimi (2919): Syntese og karakterisering af nanokrystallinsk diamant fra grafitflager via en kavitationsfremmet proces. Heliyon, bind 5, udgave 5. 2019.
- Krueger, A.: Strukturen og reaktiviteten af diamanter i nanoskala. I: J Mater Chem 18, 2008; S. 1485-1492.
- Liang, Y.: Deagglomerierung und Oberflächenfunktionalisierung von Nanodiamant mittels thermochemischer und mechanochemischer Methoden. Afhandling: Julius-Maximilian-Universität, Würzburg, 2011.
- Osawa, E.: Monodisperse enkelt-nanodiamantpartikler. I: Pure Appl Chem 80/7, 2008; S. 1365-1379.
- Pramatarova, L. et al.: Fordelen ved polymerkompositter med detonering af nanodiamantpartikler til medicinske applikationer. I: Om biomimetik; S. 298-320.
- Sun, L.; Gong, J.; Zhu, D.; Zhu, Z.; He, S.: Diamant Nanostave fra Carbon Nanotubes. I: Avancerede materialer 16/2004. S. 1849-1853.
- Suslick, K.S.: Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology. 4. udg. J. Wiley & Sønner: New York; 26, 1998; s. 517-541.
- Chipara, AC et al.: Termiske egenskaber af nanodiamantpartikler dispergeret i polystyren. HESTEC 2010.
- El-Say, K. M.: Nanodiamanter som et lægemiddelleveringssystem: Anvendelse og prospektiv. I J Appl Pharm Sci 01/06, 2011; s. 29-39.
Nanodiamanter – Brug og applikationer
Nanodiamantkornene er ustabile på grund af deres zeta-potentiale. Derved har de en tendens til at danne aggregater. En almindelig anvendelse af nanodiamanter er brugen i slibemidler, skære- og poleringsværktøjer og køleplader. En anden potentiel anvendelse er anvendelsen af nanodiamanter som lægemiddelbærer for farmaceutiske aktive komponenter (jf. Pramatarova). Ved ultralydbehandling, for det første kan nanodiamanter syntetiseres fra grafit, og for det andet kan nanodiamanter, der har en tendens til agglomeration, være jævnt Spredt i flydende medier (f.eks. til formulering af et polermiddel).