Síntesis por ultrasonidos de nanodiamantes

• Debido a su intensa fuerza de cavitación, los ultrasonidos de potencia son una técnica prometedora para producir diamantes de tamaño micrométrico y nanométrico a partir de grafito.
• Los diamantes micro y nanocristalinos pueden sintetizarse sonicando una suspensión de grafito en líquido orgánico a presión atmosférica y temperatura ambiente.
• Los ultrasonidos también son una herramienta útil para el postprocesado de los nanodiamantes sintetizados, ya que la ultrasonicación dispersa, desaglomera y funcionaliza las nanopartículas de forma muy eficaz.

Ultrasonidos para el tratamiento de nanodiamantes

Los nanodiamantes (también llamados diamantes de detonación (DND) o diamantes ultradispersos (UDD)) son una forma especial de nanomateriales de carbono que se distinguen por características únicas, como su celosía estructura, su gran superficieasí como óptico y magnético propiedades- y aplicaciones excepcionales. Las propiedades de las partículas ultradispersas hacen de estos materiales compuestos innovadores para la creación de materiales novedosos con funciones extraordinarias. El tamaño de las partículas de diamante en el hollín es de unos 5 nm.

Bajo fuerzas intensas, como la sonicación o la detonación, el grafito puede transformarse en diamante.

Nanodiamantes sintetizados por ultrasonidos

La síntesis de diamantes es un importante campo de investigación de interés científico y comercial. El proceso comúnmente utilizado para la síntesis de partículas de diamante microcristalinas y nanocristalinas es la técnica de alta presión-alta temperatura (HPHT). Mediante este método, se genera la presión de proceso necesaria de decenas de miles de atmósferas y temperaturas de más de 2000K para producir la mayor parte del suministro mundial de diamante industrial. Para la transformación del grafito en diamante, en general se requieren altas presiones y altas temperaturas, y se utilizan catalizadores para aumentar el rendimiento del diamante.
Estos requisitos necesarios para la transformación pueden generarse de forma muy eficiente mediante el uso de ultrasonidos de alta potencia (= ultrasonidos de baja frecuencia y alta intensidad):

Cavitación ultrasónica

Los ultrasonidos en los líquidos provocan efectos localmente muy extremos. Al sonicar líquidos a altas intensidades, las ondas sonoras que se propagan en el medio líquido dan lugar a ciclos alternos de alta presión (compresión) y baja presión (rarefacción), con velocidades que dependen de la frecuencia. Durante el ciclo de baja presión, las ondas ultrasónicas de alta intensidad crean pequeñas burbujas de vacío o vacíos en el líquido. Cuando las burbujas alcanzan un volumen en el que ya no pueden absorber energía, se colapsan violentamente durante un ciclo de alta presión. Este fenómeno se denomina cavitación. Durante la implosión se alcanzan localmente temperaturas (aprox. 5.000K) y presiones (aprox. 2.000atm) muy elevadas. La implosión de la burbuja de cavitación también da lugar a chorros de líquido de hasta 280 m/s de velocidad. (Suslick 1998) Es obvio que las micro y nanocristalino diamantes pueden sintetizarse en el campo de los ultrasonidos cavitación.

Procedimiento ultrasónico para la síntesis de nanodiamantes

De hecho, el estudio de Khachatryan et al. (2008) demuestra que también se pueden sintetizar microcristales de diamante mediante la ultrasonicación de una suspensión de grafito en líquido orgánico a presión atmosférica y temperatura ambiente. Como fluido de cavitación se ha elegido una fórmula de oligómeros aromáticos debido a su baja presión de vapor saturada y a su alta temperatura de ebullición. En este líquido, el polvo especial de grafito puro – con partículas en el rango entre 100-200 µm - ha sido suspendido. En los experimentos de Kachatryan et al., la relación de peso sólido-fluido era de 1:6, la densidad del fluido de cavitación era de 1,1 g cm.^-3 a 25°C. La intensidad ultrasónica máxima en el sonorreactor ha sido de 75-80W cm^-2 correspondiente a una amplitud de presión acústica de 15-16 bar.
Se ha logrado aproximadamente un 10% de conversión de grafito en diamante. Los diamantes eran casi monodisperso con un tamaño muy nítido y bien diseñado en el rango de 6 o 9μm ± 0,5μm, con cúbico, cristalino morfología y alta pureza.

Imágenes SEM de los diamantes sintetizados por ultrasonidos: las imágenes (a) y (b) muestran la serie de muestras 1, (c) y (d) la serie de muestras 2. [Khachatryan et al. 2008].

El costes de micro y nanodiamantes producidos por este método se estima en competitivo con el proceso de alta presión-alta temperatura (HPHT). Esto convierte a los ultrasonidos en una alternativa innovadora para la síntesis de microdiamantes y nanodiamantes (Khachatryan et al. 2008), sobre todo porque el proceso de producción de nanodiamantes puede optimizarse mediante nuevas investigaciones. Muchos parámetros, como la amplitud, la presión, la temperatura, el fluido de cavitación y la concentración, deben examinarse con precisión para descubrir el punto dulce de la síntesis ultrasónica de nanodiamantes.
Gracias a los resultados obtenidos en la síntesis de nanodiamantes, se han generado más ultrasonidos cavitación ofrece el potencial para la síntesis de otros compuestos importantes, como el nitruro de boro cúbico, el nitruro de carbono, etc. (Khachatryan et al. 2008)
Además, parece posible crear nanocables y nanorods de diamante a partir de nanotubos de carbono multipared (MWCNT) bajo irradiación ultrasónica. Los nanocables de diamante son análogos unidimensionales del diamante en bruto. Debido a su elevado módulo elástico, a su relación resistencia-peso y a la relativa facilidad con la que se pueden funcionalizar sus superficies, se ha descubierto que el diamante es el material óptimo para los diseños nanomecánicos. (Sun et al. 2004)

Dispersión ultrasónica de nanodiamantes

Como ya se ha descrito, la desaglomeración y la distribución uniforme del tamaño de las partículas en el medio son esenciales para explotar con éxito las características únicas de los nanodiamantes.
dispersión y desaglomeración por ultrasonidos son el resultado de la cavitación. Cuando se exponen líquidos a ultrasonidos, las ondas sonoras que se propagan en el líquido dan lugar a ciclos alternos de alta y baja presión. De este modo se ejerce una tensión mecánica sobre las fuerzas de atracción entre las partículas individuales. La cavitación ultrasónica en líquidos provoca chorros de líquido a alta velocidad de hasta 1000 km/h (aprox. 600 mph). Estos chorros presionan el líquido a alta presión entre las partículas y las separan unas de otras. Las partículas más pequeñas se aceleran con los chorros de líquido y chocan a gran velocidad. Esto convierte a los ultrasonidos en un medio eficaz para la dispersión, pero también para la Pulverizar de partículas de tamaño micrométrico y submicrométrico.
Por ejemplo, los nanodiamantes (de un tamaño medio de unos 4 nm) y el poliestireno pueden dispersarse en ciclohexano para obtener un compuesto especial. En su estudio, Chipara et al. (2010) han preparado composites de poliestireno y nanodiamantes, conteniendo nanodiamantes en un rango entre 0 y 25% en peso. Para obtener un dispersiónsonicaron la solución durante 60 min con Hielscher's UIP1000hd (1kW).

Funcionalización de nanodiamantes asistida por ultrasonidos

Para la funcionalización de toda la superficie de cada partícula nanométrica, la superficie de la partícula debe estar disponible para la reacción química. Esto significa que se requiere una dispersión uniforme y fina, ya que las partículas bien dispersas están rodeadas por una capa límite de moléculas atraídas por la superficie de la partícula. Para conseguir nuevos grupos funcionales en la superficie de los nanodiamantes, hay que romper o eliminar esta capa límite. Este proceso de ruptura y eliminación de la capa límite puede realizarse mediante ultrasonidos.
Los ultrasonidos introducidos en el líquido generan diversos efectos extremos como cavitaciónMediante estos factores de estrés, las fuerzas de atracción (por ejemplo, las fuerzas de Van-der-Waals) pueden superarse y las moléculas funcionales son transportadas a la superficie de la partícula para funcionalizar, por ejemplo, la superficie de los nanodiamantes.

Esquema 1: Gráfico de la desaglomeración in situ y la funcionalización superficial de nanodiamantes (Liang 2011).

Los experimentos con el tratamiento de desintegración sónica asistida por microesferas (BASD) también han mostrado resultados prometedores para la funcionalización de la superficie de los nanodiamantes. Para ello, se han utilizado microesferas (por ejemplo, microesferas cerámicas como las de ZrO2) para forzar la desintegración ultrasónica. cavitacional sobre las partículas de nanodiamante. La desaglomeración se produce debido a la colisión interparticular entre las partículas de nanodiamante y el ZrO₂ cuentas.
Debido a la mejor disponibilidad de la superficie de las partículas, para reacciones químicas como la reducción del borano, la arilación o la silanización, se recomienda encarecidamente un pretratamiento ultrasónico o BASD (desintegración sónica asistida por microesferas) con fines de dispersión. Por ultrasonidos Dispersión y desaglomeración la reacción química puede desarrollarse de forma mucho más completa.