Υπερήχων σύνθεση νανοδιαμαντιών

• Λόγω της έντονης σπηλαίωσης, ο υπέρηχος ισχύος είναι μια πολλά υποσχόμενη τεχνική για την παραγωγή διαμαντιών μικρού και νανομεγέθους από γραφίτη.
• Τα μικροκρυσταλλικά και νανοκρυσταλλικά διαμάντια μπορούν να συντεθούν με υπερήχους ένα εναιώρημα γραφίτη σε οργανικό υγρό σε ατμοσφαιρική πίεση και θερμοκρασία δωματίου.
• Υπερήχων είναι επίσης ένα χρήσιμο εργαλείο για τη μετα-επεξεργασία των συνθετικών νανο διαμάντια, όπως υπερήχους διασκορπίζεται, αποσυσσωματώνει και λειτουργεί νανοσωματίδια πολύ αποτελεσματική.

Ultrasonics for Nanodiamond Processing

Nanodiamonds (also called detonation diamonds (DND) or ultradispersed diamonds (UDD)) are a special form of carbon nanomaterials distinguished by unique characteristics – such as its lattice structure, its large surface, as well as unique optical and magnetic properties – and exceptional functionalities. The properties of ultradispersed particles make these materials innovative compounds for the creation of novel materials with extraordinary functions. The size of the diamond particles in the soot is about 5nm.

Κάτω από έντονες δυνάμεις, όπως υπερήχηση ή έκρηξη, γραφίτης μπορεί να μετατραπεί σε διαμάντι.

Υπερήχων συντίθεται νανοδιαμάντια

Η σύνθεση των διαμαντιών αποτελεί σημαντικό ερευνητικό πεδίο επιστημονικών και εμπορικών ενδιαφερόντων. Η συνήθης διαδικασία για τη σύνθεση μικροκρυσταλλικών και νανοκρυσταλλικών σωματιδίων διαμαντιού είναι η τεχνική υψηλής πίεσης-υψηλής θερμοκρασίας (HPHT). Με αυτή τη μέθοδο, παράγεται η απαιτούμενη πίεση διεργασίας δεκάδων χιλιάδων ατμοσφαιρών και θερμοκρασιών άνω των 2000K για την παραγωγή του κύριου μέρους της παγκόσμιας προσφοράς βιομηχανικού διαμαντιού. Για τη μετατροπή του γραφίτη σε διαμάντι, γενικά απαιτούνται υψηλές πιέσεις και υψηλές θερμοκρασίες και χρησιμοποιούνται καταλύτες για την αύξηση της απόδοσης του διαμαντιού.
Αυτές οι απαιτήσεις που απαιτούνται για τον μετασχηματισμό μπορούν να δημιουργηθούν πολύ αποτελεσματικά με τη χρήση Υπερηχογράφημα υψηλής ισχύος (= υπερηχογράφημα χαμηλής συχνότητας, υψηλής έντασης):

υπερήχων σπηλαίωση

Ο υπέρηχος σε υγρά προκαλεί τοπικά πολύ ακραίες επιδράσεις. Όταν κατεργασία με υπερήχους υγρά σε υψηλές εντάσεις, τα ηχητικά κύματα που διαδίδονται στα υγρά μέσα έχουν ως αποτέλεσμα εναλλασσόμενους κύκλους υψηλής πίεσης (συμπίεσης) και χαμηλής πίεσης (αραίωση), με ρυθμούς ανάλογα με τη συχνότητα. Κατά τη διάρκεια του κύκλου χαμηλής πίεσης, τα υψηλής έντασης υπερηχητικά κύματα δημιουργούν μικρές φυσαλίδες κενού ή κενά στο υγρό. Όταν οι φυσαλίδες επιτύχουν έναν όγκο στον οποίο δεν μπορούν πλέον να απορροφήσουν ενέργεια, καταρρέουν βίαια κατά τη διάρκεια ενός κύκλου υψηλής πίεσης. Αυτό το φαινόμενο ονομάζεται σπηλαίωση. Κατά τη διάρκεια της κατάρρευσης πολύ υψηλές θερμοκρασίες (περίπου 5.000K) και πιέσεις (περίπου 2.000atm) επιτυγχάνονται τοπικά. Η κατάρρευση της φυσαλίδας σπηλαίωσης οδηγεί επίσης σε υγρούς πίδακες ταχύτητας έως 280m / s. (Suslick 1998) Είναι προφανές ότι η μικρο- και νανοκρυσταλλικό Τα διαμάντια μπορούν να συντεθούν στον τομέα των υπερήχων σπηλαίωση.

Υπερήχων διαδικασία για τη σύνθεση των νανοδιαμαντιών

De facto, η μελέτη των Khachatryan et al. (2008) δείχνει ότι οι μικροκρύσταλλοι διαμαντιών μπορούν επίσης να συντεθούν με την υπερήχους ενός εναιωρήματος γραφίτη σε οργανικό υγρό σε ατμοσφαιρική πίεση και θερμοκρασία δωματίου. Ως υγρό σπηλαίωσης, έχει επιλεγεί ένας τύπος αρωματικών ολιγομερών λόγω της χαμηλής τάσης κορεσμένων ατμών και της υψηλής θερμοκρασίας βρασμού του. Σε αυτό το υγρό, η ειδική καθαρή σκόνη γραφίτη – με σωματίδια στην περιοχή μεταξύ 100-200 μm – έχει αιωρηθεί. Στα πειράματα των Kachatryan et al., η αναλογία βάρους στερεού-υγρού ήταν 1:6, η πυκνότητα του υγρού σπηλαίωσης ήταν 1,1g cm^-3 στους 25°C. Η μέγιστη ένταση υπερήχων στον υπερηχητικό αντιδραστήρα ήταν 75-80W cm^-2 που αντιστοιχεί σε πλάτος ηχητικής πίεσης 15-16 bar.
Έχει επιτευχθεί περίπου 10% μετατροπή γραφίτη σε διαμάντι. Τα διαμάντια ήταν σχεδόν μονο-διασκορπισμένο με ένα πολύ αιχμηρό, καλά σχεδιασμένο μέγεθος στην περιοχή από 6 ή 9μm ± 0,5μm, με κυβικά, κρυσταλλικός μορφολογία και υψηλή καθαρότητα.

Εικόνες SEM των διαμαντιών που συντίθενται με υπερήχους: οι εικόνες (α) και (β) δείχνουν τη σειρά δειγμάτων 1, (γ) και (δ) τη σειρά δειγμάτων 2. [Khachatryan et al. 2008]

Ο έξοδα μικρο- και νανοδιαμαντιών που παράγονται με τη μέθοδο αυτή εκτιμάται ότι είναι ανταγωνιστικός με τη διεργασία υψηλής πίεσης-υψηλής θερμοκρασίας (HPHT). Αυτό καθιστά τον υπέρηχο μια καινοτόμο εναλλακτική λύση για τη σύνθεση μικρο- και νανο-διαμαντιών (Khachatryan et al. 2008), ειδικά καθώς η διαδικασία παραγωγής νανοδιαμαντιών μπορεί να βελτιστοποιηθεί με περαιτέρω έρευνες. Πολλές παράμετροι όπως το πλάτος, η πίεση, η θερμοκρασία, το υγρό σπηλαίωσης και η συγκέντρωση πρέπει να εξεταστούν με ακρίβεια για να ανακαλύψουν το γλυκό σημείο της υπερηχητικής σύνθεσης νανοδιαμαντιών.
Με τα αποτελέσματα που επιτεύχθηκαν στη σύνθεση νανοδιαμαντιών, περαιτέρω υπερήχων παράγεται σπηλαίωση προσφέρει τη δυνατότητα σύνθεσης άλλων σημαντικών ενώσεων, όπως κυβικό νιτρίδιο του βορίου, νιτρίδιο του άνθρακα κ.λπ. (Khachatryan et al. 2008)
Περαιτέρω, φαίνεται να είναι δυνατή η δημιουργία νανοκαλωδίων διαμαντιών και νανοράβδων από νανοσωλήνες άνθρακα πολλαπλών τοιχωμάτων (MWCNTs) υπό υπερηχητική ακτινοβολία. Τα νανοσύρματα διαμαντιών είναι μονοδιάστατα ανάλογα του χύδην διαμαντιού. Λόγω του υψηλού συντελεστή ελαστικότητας, της αναλογίας αντοχής προς βάρος και της σχετικής ευκολίας με την οποία μπορούν να λειτουργήσουν οι επιφάνειές του, το διαμάντι έχει βρεθεί ότι είναι το βέλτιστο υλικό για νανομηχανικά σχέδια. (Sun κ.ά. 2004)

Υπερήχων διασπορά νανοδιαμαντιών

As already described, the deagglomeration and the even particle size distribution in the medium are essentials for the successful exploitation of nanodiamonds’ unique characteristics.
διασπορά και αποσυσσωμάτωση με υπερήχους είναι αποτέλεσμα υπερήχων σπηλαίωση. Κατά την έκθεση υγρών σε υπερήχους, τα ηχητικά κύματα που διαδίδονται στο υγρό έχουν ως αποτέλεσμα εναλλασσόμενους κύκλους υψηλής πίεσης και χαμηλής πίεσης. Αυτό ασκεί μηχανική καταπόνηση στις δυνάμεις έλξης μεταξύ των μεμονωμένων σωματιδίων. Υπερήχων σπηλαίωση σε υγρά προκαλεί υψηλής ταχύτητας πίδακες υγρού μέχρι 1000km / hr (περίπου 600mph). Τέτοιοι πίδακες πιέζουν το υγρό σε υψηλή πίεση μεταξύ των σωματιδίων και τα διαχωρίζουν μεταξύ τους. Τα μικρότερα σωματίδια επιταχύνονται με τους πίδακες υγρού και συγκρούονται σε υψηλές ταχύτητες. Αυτό καθιστά το υπερηχογράφημα ένα αποτελεσματικό μέσο για τη διασπορά αλλά και για την άλεσμα σωματιδίων μεγέθους micron και μεγέθους submicron.
For example, nanodiamonds (average size of about 4nm) and polystyrene can be dispersed in cyclohexane to obtain a special composite. In their study, Chipara et al. (2010) have prepared composites of polystyrene and nanodiamonds, containing nanodiamonds in a range between 0 and 25% weight. To obtain an even dispersion, they sonicated the solution for 60 min with the Hielscher 1000 watts powerful sonicator model UIP1000hd.
Learn more about ultrasonic nanodiamond deaggregation!

Υπερήχων υποβοηθούμενη λειτουργικότητα των νανοδιαμαντιών

For the functionalization of the complete surface of each nano-sized particles, the surface of the particle must be available for chemical reaction. This means an even and fine dispersion is required as the well-dispersed particles are surrounded by a boundary layer of molecules attracted to the particle surface. To get new functional groups to nanodiamonds’ surface, this boundary layer has to be broken or removed. This process of break and removal of the boundary layer can be performed by ultrasonics.
Ο υπέρηχος που εισάγεται σε υγρό δημιουργεί διάφορα ακραία φαινόμενα όπως: σπηλαίωση, locally very high temperature up to 2000K and liquid jets of up to 1000km/hr. (Suslick 1998) By this stress factors the attracting forces (e.g. Van-der-Waals forces) can be overcome and the functional molecules are carried to the surface of the particle to functionalize, e.g. nanodiamonds’ surface.

Σχήμα 1: Γραφική απεικόνιση της in situ-αποσυσσωμάτωσης και επιφανειακής λειτουργικότητας νανοδιαμαντιών (Liang 2011)

Πειράματα με τη θεραπεία Bead-Assisted Sonic Disintegration (BASD) έχουν δείξει πολλά υποσχόμενα αποτελέσματα και για την επιφανειακή λειτουργία των νανοδιαμαντιών. Με αυτόν τον τρόπο, χάντρες (π.χ. κεραμικές χάντρες μικρού μεγέθους όπως χάντρες ZrO2) έχουν χρησιμοποιηθεί για την επιβολή του υπερήχων σπηλαίωση δυνάμεις πάνω στα σωματίδια νανοδιαμαντιών. Η αποσυσσωμάτωση συμβαίνει λόγω της σύγκρουσης μεταξύ των σωματιδίων νανοδιαμαντιών και του ZrO₂ Χάντρες.
Due to the better availability of particles’ surface, for chemical reactions such as the Boran reduction, arylation or silanization, an ultrasonic or BASD (bead-assisted sonic disintegration) pre-treatment for dispersing purpose is highly recommended. By ultrasonic Διασποράς και αποσυσσωμάτωση Η χημική αντίδραση μπορεί να προχωρήσει πολύ πιο ολοκληρωμένα.