Síntesis ultrasónica de nanodiamantes

Del grafito al diamante: los ultrasonidos de potencia ofrecen una vía prometedora para sintetizar diamantes microcristalinos y nanocristalinos a temperatura ambiente y presión atmosférica. La intensa cavitación acústica permite la formación de diamantes en suspensiones de grafito en líquidos orgánicos. Además de la síntesis, la sonicación facilita la dispersión, desaglomeración y funcionalización eficaces de los nanodiamantes resultantes – lo que la convierte en una herramienta versátil tanto para la producción como para el procesamiento posterior.

Ultrasonidos para el procesamiento de nanodiamantes

Los nanodiamantes (también denominados diamantes de detonación (DND) o diamantes ultradispersos (UDD)) son una forma especial de nanomateriales de carbono que se distingue por características únicas –como su estructura reticular, su gran superficie y sus singulares propiedades ópticas y magnéticas– y funcionalidades excepcionales. Las propiedades de las partículas ultradispersas convierten estos materiales en compuestos innovadores para crear nuevos materiales con funciones extraordinarias. El tamaño de las partículas de diamante en el hollín es de aproximadamente 5 nm.

Nanodiamantes sintetizados mediante ultrasonidos

La síntesis de diamantes es un importante campo de investigación de interés científico y comercial. El proceso utilizado habitualmente para sintetizar partículas de diamante microcristalinas y nanocristalinas es la técnica de alta presión y alta temperatura (HPHT). Con este método se generan las presiones de proceso necesarias, de decenas de miles de atmósferas, y temperaturas superiores a 2000K para producir la mayor parte del suministro mundial de diamante industrial. Para transformar el grafito en diamante, generalmente se requieren presiones y temperaturas elevadas, y se utilizan catalizadores para aumentar el rendimiento de diamante.
Estas condiciones necesarias 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 líquidos provocan efectos locales muy extremos. Cuando se sonican líquidos a altas intensidades, las ondas sonoras que se propagan por el medio líquido generan ciclos alternos de alta presión (compresión) y baja presión (rarefacción), cuyo ritmo depende de la frecuencia. Durante el ciclo de baja presión, las ondas ultrasónicas de alta intensidad crean pequeñas burbujas de vacío o cavidades en el líquido. Cuando las burbujas alcanzan un volumen en el que ya no pueden absorber energía, 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 genera chorros de líquido con velocidades de hasta 280 m/s. (Suslick 1998) Es evidente que los diamantes microcristalinos y nanocristalinos pueden sintetizarse en el campo de cavitación ultrasónica.

En este vídeo le mostramos un sistema ultrasónico de 2 kilovatios para funcionamiento en línea en un armario purgable. Hielscher suministra equipos ultrasónicos a prácticamente todos los sectores, como la industria química, farmacéutica y cosmética, así como para procesos petroquímicos y procesos de extracción con disolventes. Este armario purgable de acero inoxidable está diseñado para funcionar en zonas peligrosas. Para ello, el cliente puede purgar el armario sellado con nitrógeno o aire fresco para evitar la entrada de gases o vapores inflamables.

Procedimiento ultrasónico para la síntesis de nanodiamantes

De hecho, el estudio de Khachatryan et al. (2008) demuestra que los microcristales de diamante también pueden sintetizarse mediante la sonicación de una suspensión de grafito en un líquido orgánico a presión atmosférica y temperatura ambiente. Como fluido de cavitación se eligió una formulación de oligómeros aromáticos por su baja presión de vapor saturado y su elevada temperatura de ebullición. En este líquido se suspendió un polvo especial de grafito puro –con partículas de tamaño comprendido entre 100-200 µm–. En los experimentos de Kachatryan et al., la relación en peso sólido-fluido fue de 1:6 y la densidad del fluido de cavitación fue de 1,1 g cm^-3 a 25 °C. La intensidad ultrasónica máxima en el sonoreactor fue de 75-80 W cm^-2 correspondiente a una amplitud de presión sonora de 15-16 bar.
Se logró una conversión de grafito en diamante de aproximadamente un 10%. Los diamantes eran casi monodispersos con una distribución de tamaños muy estrecha y bien definida en el intervalo de 6 o 9 μm ± 0,5 μm, con una morfología cúbica, cristalina y con alta pureza.

Se estima que los costes de los microdiamantes y nanodiamantes producidos mediante este método son competitivos respecto al proceso de alta presión y alta temperatura (HPHT). Esto convierte los ultrasonidos en una alternativa innovadora para la síntesis de microdiamantes y nanodiamantes (Khachatryan et al. 2008), especialmente porque el proceso de producción de nanodiamantes puede optimizarse mediante investigaciones adicionales. Es necesario examinar con precisión numerosos parámetros, como la amplitud, la presión, la temperatura, el fluido de cavitación y la concentración, para identificar las condiciones óptimas de la síntesis ultrasónica de nanodiamantes.
A la vista de los resultados obtenidos en la síntesis de nanodiamantes, la cavitación generada mediante ultrasonidos también ofrece potencial para sintetizar otros compuestos importantes, como el nitruro de boro cúbico, el nitruro de carbono, etc. (Khachatryan et al. 2008)
Además, parece posible crear nanohilos y nanovarillas de diamante a partir de nanotubos de carbono de paredes múltiples (MWCNTs) mediante irradiación ultrasónica. Los nanohilos de diamante son análogos unidimensionales del diamante masivo. Debido a su elevado módulo elástico, su relación resistencia-peso y la relativa facilidad con la que pueden funcionalizarse sus superficies, se ha determinado que el diamante es el material óptimo para diseños nanomecánicos. (Sun et al. 2004)

Dispersión ultrasónica de nanodiamantes

Como ya se ha descrito, la desaglomeración y una distribución uniforme del tamaño de las partículas en el medio son esenciales para aprovechar con éxito las características únicas de los nanodiamantes.
La dispersión y la desaglomeración mediante sonicación son el resultado de la cavitación ultrasónica. Al exponer los líquidos a los ultrasonidos, las ondas sonoras que se propagan por el líquido generan ciclos alternos de alta y baja presión. Esto somete a esfuerzos mecánicos las fuerzas de atracción entre las partículas individuales. La cavitación ultrasónica en líquidos genera chorros de líquido de alta velocidad, de hasta 1000 km/hr (aprox. 600mph). Estos chorros fuerzan el paso del 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 colisionan a altas velocidades. Esto convierte los ultrasonidos en un medio eficaz para la dispersión, pero también para la molienda de partículas de tamaño micrométrico y submicrométrico.
Por ejemplo, los nanodiamantes (de tamaño medio aproximado de 4 nm) y el poliestireno pueden dispersarse en ciclohexano para obtener un material compuesto especial. En su estudio, Chipara et al. (2010) prepararon materiales compuestos de poliestireno y nanodiamantes con contenidos de nanodiamantes de entre 0 y 25% en peso. Para obtener una dispersión uniforme, sonicaron la solución durante 60 min con el potente sonicador Hielscher de 1000 vatios, modelo UIP1000hd.
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Funcionalización de nanodiamantes asistida por ultrasonidos

Para funcionalizar 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 fina y uniforme, ya que las partículas bien dispersas están rodeadas por una capa límite de moléculas atraídas hacia su superficie. Para incorporar nuevos grupos funcionales a la superficie de los nanodiamantes, es necesario romper o eliminar esta capa límite. Este proceso de ruptura y eliminación de la capa límite puede realizarse mediante ultrasonidos.
Los ultrasonidos introducidos en un líquido generan diversos efectos extremos, como cavitación, temperaturas locales muy elevadas de hasta 2000K y chorros de líquido de hasta 1000 km/hr. (Suslick 1998) Estos factores de esfuerzo permiten superar las fuerzas de atracción (p. ej., las fuerzas de Van-der-Waals) y transportar las moléculas funcionales hasta la superficie de la partícula que se va a funcionalizar, por ejemplo, la superficie de los nanodiamantes.

Los experimentos con el tratamiento de desintegración sónica asistida por perlas (BASD) también han mostrado resultados prometedores para la funcionalización superficial de nanodiamantes. En este tratamiento se han utilizado perlas (p. ej., perlas cerámicas de tamaño micrométrico, como las de ZrO2) para reforzar las fuerzas de cavitación ultrasónica que actúan sobre las partículas de nanodiamante. La desaglomeración se produce por las colisiones entre las partículas de nanodiamante y las perlas de ZrO₂ .
Debido a la mayor disponibilidad de la superficie de las partículas, para reacciones químicas como la reducción Boran, la arilación o la silanización, se recomienda encarecidamente un pretratamiento ultrasónico o BASD (desintegración sónica asistida por perlas) destinado a la dispersión. Mediante la dispersión ultrasónica y la desaglomeración la reacción química puede desarrollarse de forma mucho más completa.