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 nanodiamantbehandling

Nanodiamanter (også kaldet detonationsdiamanter (DND) eller ultradispergerede diamanter (UDD)) er en særlig form for kulstof-nanomaterialer, der er kendetegnet ved unikke egenskaber – såsom dets Gitter struktur, dens store Overfladesamt unikke optisk og Magnetiske egenskaber – og exceptionelle anvendelser. Egenskaberne af ultradispergerede partikler gør disse materialer til innovative forbindelser til skabelse af nye materialer med ekstraordinære funktioner. Størrelsen af diamantpartiklerne i soden er omkring 5nm.

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 deagglomerationen og den jævne partikelstørrelsesfordeling i mediet afgørende for en vellykket udnyttelse af nanodiamanters 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 speciel komposit. I deres undersøgelse har Chipara et al. (2010) fremstillet kompositter af polystyren og nanodiamanter, der indeholder nanodiamanter i et interval mellem 0 og 25 vægtprocent. For at opnå en lige dispersion, de sonikerede opløsningen i 60 minutter med Hielscher's UIP1000hd (1kW).

Ultralydassisteret funktionalisering af nanodiamanter

Til funktionalisering af den komplette overflade af hver nano-størrelse partikler skal partiklens overflade være tilgængelig for kemisk reaktion. Det betyder, at der kræves en jævn og fin spredning, da de veldispergerede partikler er omgivet af et grænselag af molekyler, der tiltrækkes af partikeloverfladen. For at få nye funktionelle grupper til nanodiamanters overflade skal dette grænselag brydes eller fjernes. Denne proces med brud og fjernelse af grænselaget kan udføres ved ultralyd.
Ultralyd introduceret i væske genererer forskellige ekstreme effekter såsom Kavitation, lokalt meget høj temperatur op til 2000K 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. nanodiamanters 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 partiklers overflade anbefales en ultralyds- eller BASD-forbehandling (bead-assisted sonic disintegration) til dispergeringsformål til kemiske reaktioner såsom Boran-reduktion, arylering eller silanisering. Ved ultralyd Sprede og deagglomeration Den kemiske reaktion kan fortsætte meget mere fuldstændigt.