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.

Χρήση υπερήχων στην επεξεργασία νανοδιαμαντιών

Τα νανοδιαμάντια (γνωστά επίσης ως διαμάντια έκρηξης (DND) ή υπερδιασπαρμένα διαμάντια (UDD)) αποτελούν μια ειδική μορφή νανοϋλικών άνθρακα που διακρίνεται για τα μοναδικά χαρακτηριστικά της – όπως η δομή του πλέγματός της, η μεγάλη επιφάνειά της, καθώς και οι μοναδικές οπτικές και μαγνητικές ιδιότητές της – και τις εξαιρετικές λειτουργικές δυνατότητές της. Οι ιδιότητες των υπερδιασπαρμένων σωματιδίων καθιστούν τα υλικά αυτά καινοτόμες ενώσεις για τη δημιουργία νέων υλικών με εξαιρετικές λειτουργίες. Το μέγεθος των σωματιδίων διαμαντιού στην αιθάλη είναι περίπου 5 nm.

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

Όπως έχει ήδη αναφερθεί, η αποσυσσωμάτωση και η ομοιόμορφη κατανομή του μεγέθους των σωματιδίων στο μέσο αποτελούν βασικές προϋποθέσεις για την επιτυχή αξιοποίηση των νανοδιαμαντιών’ μοναδικά χαρακτηριστικά.
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.
Για παράδειγμα, τα νανοδιαμάντια (μέσο μέγεθος περίπου 4 nm) και το πολυστυρένιο μπορούν να διασκορπιστούν σε κυκλοεξάνιο για την παραγωγή ενός ειδικού σύνθετου υλικού. Στη μελέτη τους, οι Chipara et al. (2010) παρασκεύασαν σύνθετα υλικά από πολυστυρόλιο και νανοδιαμάντια, τα οποία περιείχαν νανοδιαμάντια σε ποσοστό που κυμαινόταν μεταξύ 0 και 25% κατά βάρος. Για να επιτύχουν ομοιόμορφη διασπορά, υποβάλλαν το διάλυμα σε υπερηχητική επεξεργασία για 60 λεπτά με τον ισχυρό υπερηχητικό μετατροπέα Hielscher 1000 watts, μοντέλο UIP1000hd.
Μάθετε περισσότερα για την αποσυμπύκνωση των νανοδιαμαντιών με υπερήχους!

Υπερήχων υποβοηθούμενη λειτουργικότητα των νανοδιαμαντιών

Για τη λειτουργικοποίηση ολόκληρης της επιφάνειας κάθε νανοσωματιδίου, η επιφάνεια του σωματιδίου πρέπει να είναι διαθέσιμη για χημική αντίδραση. Αυτό σημαίνει ότι απαιτείται ομοιόμορφη και λεπτή διασπορά, καθώς τα καλά διασκορπισμένα σωματίδια περιβάλλονται από ένα οριακό στρώμα μορίων που έλκονται από την επιφάνεια του σωματιδίου. Για να προστεθούν νέες λειτουργικές ομάδες στα νανοδιαμάντια’ επιφάνειας, αυτό το οριακό στρώμα πρέπει να διασπαστεί ή να απομακρυνθεί. Αυτή η διαδικασία διάσπασης και απομάκρυνσης του οριακού στρώματος μπορεί να πραγματοποιηθεί με τη χρήση υπερήχων.
Ο υπέρηχος που εισάγεται σε υγρό δημιουργεί διάφορα ακραία φαινόμενα όπως: σπηλαίωση, τοπικά πολύ υψηλές θερμοκρασίες που φτάνουν τα 2000K και πίδακες υγρού με ταχύτητα έως και 1000km/hr. (Suslick 1998) Χάρη σε αυτούς τους παράγοντες καταπόνησης, οι ελκτικές δυνάμεις (π.χ. δυνάμεις Van-der-Waals) μπορούν να υπερνικηθούν και τα λειτουργικά μόρια μεταφέρονται στην επιφάνεια του σωματιδίου για να το λειτουργικοποιήσουν, π.χ. νανοδιαμάντια’ επιφάνεια.

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.
Λόγω της καλύτερης διαθεσιμότητας των σωματιδίων’ επιφάνεια, για χημικές αντιδράσεις όπως η αναγωγή με βοράνιο, η αρυλίωση ή η σιλανίωση, συνιστάται ιδιαίτερα η εφαρμογή προεπεξεργασίας με υπερήχους ή με τη μέθοδο BASD (bead-assisted sonic disintegration) για σκοπούς διασποράς. Με υπερήχους Διασποράς και αποσυσσωμάτωση Η χημική αντίδραση μπορεί να προχωρήσει πολύ πιο ολοκληρωμένα.