Hielscher – Tecnología de Ultrasonidos

Síntesis por ultrasonidos de nanodiamantes

  • Debido a su intensa fuerza cavitacional, el ultrasonido de potencia es una técnica prometedora para producir diamantes de tamaño micrométrico y nanométrico a partir de grafito.
  • Los diamantes micro y nanocristalinos pueden sintetizarse sonando una suspensión de grafito en líquido orgánico a presión atmosférica y temperatura ambiente.
  • El ultrasonido es también una herramienta útil para el post-procesamiento de los nano diamantes sintetizados, ya que la ultrasonicación dispersa, desaglomera y funcionaliza las nano partículas de forma muy efectiva.

Ultrasonido para el tratamiento de nanodiamantes

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

Síntesis por ultrasonidos de nanodiamantes

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

Nanodiamantes Sintetizados Ultrasónicamente

La síntesis de diamantes es un campo de investigación importante en cuanto a intereses científicos y comerciales. El proceso comúnmente utilizado para la síntesis de partículas de diamante microcristalinas y nanocristalinas es la técnica de alta presión-alta temperatura (HPHT). Por este método, la presión de proceso requerida de decenas de miles de atmósferas y temperaturas de más de 2000K son generadas para producir la mayor parte del suministro mundial de diamantes industriales. 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 Ultrasonido de alta potencia (= ultrasonido de baja frecuencia y alta intensidad):

cavitación ultrasónica

El ultrasonido en líquidos causa localmente efectos muy extremos. Al sonar líquidos a altas intensidades, las ondas sonoras que se propagan en el medio líquido dan lugar a ciclos alternados de alta presión (compresión) y baja presión (rarefacción), con tasas 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 al que ya no pueden absorber energía, colapsan violentamente durante un ciclo de alta presión. Este fenómeno se denomina cavitación. Durante la implosión se alcanzan temperaturas muy altas (aprox. 5.000K) y presiones (aprox. 2.000atm) localmente. La implosión de la burbuja de cavitación también produce chorros de líquido de hasta 280 m/s de velocidad. (Suslick 1998) Es obvio que las micro y pequeñas empresas nanocristalina los diamantes pueden sintetizarse en el campo de los ultrasonidos. cavitación.

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Procedimiento ultrasónico para la síntesis de nanodiamantes

De hecho, el estudio de Khachatryan et al. (2008) muestra que los microcristales de diamante también pueden sintetizarse por ultrasonido 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 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-líquido fue de 1:6, la densidad del fluido de cavitación fue de 1.1g cm.-3 a 25°C. La intensidad máxima de ultrasonidos en el sonoreactor ha sido de 75-80W cm.-2 correspondiente a una amplitud de presión sonora de 15-16 bar.
Se ha logrado aproximadamente un 10% de conversión de grafito a diamante. Los diamantes estaban casi monodispersos con un tamaño muy agudo y bien diseñado en el rango de 6 o 9μm ± 0.5μm, con cúbicos, cristalino morfología y gran pureza.

Diamantes sintetizados ultrasónicamente (imágenes SEM): El ultrasonido de alta potencia proporciona la energía necesaria para inducir nanodiamantes.' síntesis

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

El costos de micro y nanodiamantes producidos por este método se estima que son competitivos con el proceso de alta presión-alta temperatura (HPHT). Esto hace del ultrasonido una alternativa innovadora para la síntesis de micro y nanodiamantes (Khachatryan et al. 2008), especialmente porque el proceso de producción de nanodiamantes puede ser optimizado por investigaciones posteriores. Muchos parámetros como la amplitud, la presión, la temperatura, el fluido de cavitación y la concentración deben ser examinados con precisión para descubrir el punto dulce de la síntesis ultrasónica de nanodiamantes.
Por los resultados obtenidos en la sintetización de nanodiamantes, se han generado más ultrasónicamente 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 ser posible crear nanocables y nanorobjetos de diamante a partir de nanotubos de carbono multipared (MWCNTs) bajo irradiación ultrasónica. Los nanocables de diamante son análogos unidimensionales del diamante a granel. Debido a su alto módulo elástico, su relación resistencia-peso y la relativa facilidad con la que sus superficies pueden ser funcionalizadas, 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 desagregación y la distribución uniforme del tamaño de las partículas en el medio son esenciales para el éxito de la explotación de las características únicas de los nanodiamantes.
dispersión y desaglomeración por ultrasonido son el resultado de un ultrasonido cavitación. Cuando se exponen líquidos al ultrasonido, las ondas sonoras que se propagan en el líquido dan como resultado ciclos alternados de alta y baja presión. Esto aplica una tensión mecánica a las fuerzas de atracción entre las partículas individuales. La cavitación ultrasónica en líquidos causa chorros de líquido de alta velocidad de hasta 1000km/h (aprox. 600mph). Estos chorros prensan el líquido a alta presión entre las partículas y las separan entre sí. Las partículas más pequeñas se aceleran con los chorros de líquido y chocan a altas velocidades. Esto hace del ultrasonido un medio eficaz para la dispersión, pero también para el Pulverizar de partículas de tamaño micrométrico y submicrométrico.
Por ejemplo, los nanodiamantes (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 compuestos de poliestireno y nanodiamantes, que contienen nanodiamantes en un rango entre 0 y 25% de peso. Para obtener una dispersiónsondearon la solución durante 60 minutos con Hielscher's UIP1000hd (1kW).

Funcionalización de nanodiamantes asistida por ultrasonido

Para la funcionalización de la superficie completa de cada partícula de tamaño nanométrico, 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 a la superficie de la partícula. Para conseguir nuevos grupos funcionales en la superficie de los nanodiamantes, esta capa límite tiene que romperse o eliminarse. Este proceso de rotura y eliminación de la capa límite puede realizarse mediante ultrasonidos.
El ultrasonido introducido en el líquido genera varios efectos extremos tales como cavitaciónlocalmente muy alta temperatura hasta 2000K y chorros de líquido de hasta 1000km/hr. (Suslick 1998) Por estos factores de estrés las fuerzas de atracción (por ejemplo, las fuerzas de Van-der-Waals) pueden ser superadas y las moléculas funcionales son llevadas a la superficie de la partícula para funcionar, por ejemplo, la superficie de los nanodiamantes.

Under powerful ultrasonic irradiation (e.g. with Hielscher's UIP2000hdT) it becomes possible to synthesis, deagglomerate and functionalize nanodiamonds efficiently.

Esquema 1: Gráfico de la desaglomeración in situ y 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 nanodiamantes. De este modo, se han utilizado microesferas (por ejemplo, microesferas de cerámica como las de ZrO2) para reforzar el sistema ultrasónico. cavitacional fuerzas en las partículas de nanodiamante. La desagregación 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 de Boran, la arilación o la silanización, se recomienda un pretratamiento ultrasónico o BASD (desintegración sónica asistida por microesferas) para fines de dispersión. Por ultrasonido Dispersión y desaglomeración la reacción química puede proceder mucho más completamente.

Cuando se introduce un ultrasonido de alta potencia y baja frecuencia en un medio líquido, se genera cavitación.

La caviatación ultrasónica da como resultado temperaturas y presiones diferenciales extremas y chorros de líquido de alta velocidad. Por lo tanto, el ultrasonido de potencia es un método de procesamiento exitoso para aplicaciones de mezclado y fresado.

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Literatura/Referencias

  • Chipara, A. C. et al..: Propiedades térmicas de las partículas de nanodiamantes dispersas en poliestireno. HESTEC 2010.
  • El-Say, K. M.: Nanodiamantes como sistema de administración de drogas: Aplicación y prospectiva. En J Appl Pharm Sci 01/06, 2011; pp. 29-39.
  • Khachatryan, A. Kh. et al..: Transformación de grafito a diamante inducida por cavitación ultrasónica. In: Diamante & Related Materials 17, 2008; pp931-936.
  • Krueger, A.: La estructura y reactividad del diamante a nanoescala. In: J Mater Chem 18, 2008; pp. 1485-1492.
  • Liang, Y.: Deagglomerierung und Oberflächenfunktionalisierung von Nanodiamant mittels thermochemischer und mechanochemischer Methoden. Tesis doctoral Julius-Maximilian-Universität Würzburg 2011.
  • Osawa, E.: Partículas monodispersas de nanodiamantes simples. In: Pure Appl Chem 80/7, 2008; pp. 1365-1379.
  • Pramatarova, L. et al..: La ventaja de los compuestos poliméricos con partículas de nanodiamida de detonación para aplicaciones médicas. In: On Biomimetics; pp. 298-320.
  • Sun, L.; Gong, J.; Zhu, D.; Zhu, Z.; He, S.: Diamond Nanorods from Carbon Nanotubes. In: Advanced Materials 16/2004. pp. 1849-1853.
  • Suslick, K.S.: Kirk-Othmer Enciclopedia de Tecnología Química. 4th ed. J. Wiley & Hijos: Nueva York; 26, 1998; págs. 517 a 541.

Nanodiamantes – Uso y aplicaciones

Los granos de nanodiamante son inestables debido a su potencial zeta. De esta manera, tienden a formar agregados. Una aplicación común de los nanodiamantes es su uso en abrasivos, herramientas de corte y pulido y disipadores de calor. Otro uso potencial es la aplicación de nanodiamantes como portadores de medicamentos para componentes activos farmacéuticos (cf. Pramatarova). Por ultrasonicaciónEn primer lugar, los nanodiamantes pueden sintetizarse a partir de grafito y, en segundo lugar, los nanodiamantes que tienden en gran medida a la aglomeración pueden ser homogéneos. dispersado en medios líquidos (por ejemplo, para formular un agente de pulido).