Tecnología de ultrasonido de Hielscher

Síntesis por ultrasonidos de nanodiamantes

  • Debido a su intensa fuerza de cavitación, ultrasonidos de potencia es una técnica prometedora para producir diamantes de micras y de tamaño nanométrico de grafito.
  • diamantes micro y nano-cristalinas se pueden sintetizar sonicación de una suspensión de grafito en líquido orgánico a presión atmosférica y temperatura ambiente.
  • Ultrasónico es también una herramienta útil para el post-procesamiento de los diamantes nano sintetizados, como ultrasonicación se dispersa, desaglomera y funcionaliza nano partículas muy eficaz.

Ultrasonidos para el tratamiento nanodiamantes

Nanodiamantes (diamantes también llamado de detonación (DND) o diamantes ultradispersed (UDD)) son una forma especial de los nanomateriales de carbono que se distingue por características únicas - tales como su enrejado estructura, su gran superficie, Así como la única óptico y magnético - propiedades y aplicaciones excepcionales. Las propiedades de las partículas ultradispersed hacen estos materiales 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, tales como sonicación o detonación, el grafito puede ser transformado en diamante.

Sintetizado por ultrasonidos Nanodiamantes

La síntesis de diamantes es un campo de investigación importante con respecto a los intereses científicos y comerciales. El proceso usado comúnmente para la síntesis de micro-cristalina y partículas de diamante nano-cristalinas es la técnica de alta presión alta temperatura (HPHT). Mediante este método, la presión de proceso necesaria de decenas de miles de atmósferas y temperaturas de más de 2000K se generan para producir la parte principal de la oferta mundial de diamante industrial. Para la transformación de grafito en diamante, en altas presiones generales y altas temperaturas se requieren, y los catalizadores se utilizan para aumentar el rendimiento de diamante.
Estos requisitos necesarios para la transformación se pueden generar de manera muy eficiente por el uso de El ultrasonido de alta potencia (= Baja frecuencia, ultrasonidos de alta intensidad):

cavitación ultrasónica

La ecografía en líquidos causa efectos localmente muy extremos. Cuando se sonican líquidos a altas intensidades, las ondas de sonido que se propagan al medio líquido dan como resultado 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 huecos 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 temperaturas muy altas (aprox. 5,000K) y presiones (aprox. 2,000atm) se alcanzan localmente. La implosión de la burbuja de cavitación también resulta en chorros de líquido de hasta 280m / s de velocidad. (Suslick 1998) Es evidente que las micro y nano-cristalino Los diamantes pueden ser sintetizados en el campo de ultrasonidos cavitación.

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Procedimiento de ultrasonidos para la Síntesis de Nanodiamantes

De hecho, el estudio de Khachatryan et al. (2008) muestra que los microcristales de diamantes también se pueden sintetizar mediante la ultrasonicación de una suspensión de grafito en líquido orgánico a presión atmosférica y temperatura ambiente. Como fluido de cavitación, una fórmula de oligómeros aromáticos ha sido elegido debido a su presión de vapor saturado bajo y su alta temperatura de ebullición. En este líquido, el polvo de grafito puro especial – con partículas en el intervalo entre 100-200 m - ha sido suspendido. . En los experimentos de Kachatryan et al, la relación en peso de sólido-líquido fue de 1: 6, la densidad del fluido cavitación era 1,1 g cm-3 a 25 ° C. La intensidad ultrasónica máxima en el sonoreactor ha sido 75-80W cm-2 que corresponde a una amplitud de presión de sonido de 15-16 bar.
Se ha alcanzado aproximadamente una conversión de grafito-a diamante 10%. Los diamantes eran casi mono-dispersa con un tamaño muy agudo, bien diseñado en el intervalo de 6 o 9μm 0.5μm ±, con cúbico, cristalino morfología y alta pureza.

diamantes sintetizados por ultrasonidos (imágenes SEM): Alta ultrasonidos de potencia proporciona la energía necesaria para inducir nanodiamantes' sintetizador

imágenes de SEM de los diamantes ultrasónicamente sintetizados: 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 nano-diamantes producidos por este método se estima que es competitivo con el procedimiento de alta presión alta temperatura (HPHT). Esto hace que el ultrasonido una alternativa innovadora para la síntesis de micro- y nano-diamantes (Khachatryan et al. 2008), especialmente como el proceso de producción de nanodiamonds puede optimizarse más investigaciones. Muchos parámetros tales amplitud, presión, temperatura, fluidos cavitación, y la concentración deben ser examinados con precisión para descubrir el punto dulce de la síntesis de nanodiamante ultrasónica.
Por los resultados obtenidos en la síntesis de nanodiamonds, generado más ultrasónicamente cavitación ofrece el potencial para la síntesis de otros compuestos importantes, tales como nitruro de boro cúbico, nitruro de carbono, etc. (Khachatryan et al. 2008)
Además, parece ser posible crear nanocables de diamante y nanorods de nanotubos de carbono de pared múltiple (MWCNT) bajo irradiación ultrasónica. nanocables de diamantes son análogos unidimensionales de diamante a granel. Debido a su alto módulo elástico, la relación de resistencia-peso, y la relativa facilidad con la que sus superficies se pueden funcionalizar, diamante ha sido encontrado para ser el material óptimo para diseños nanomecánicos. (Sun et al. 2004)

Dispersión ultrasónica de Nanodiamantes

Como ya se ha descrito, la desaglomeración y la distribución del tamaño de partícula incluso en el medio son elementos esenciales para la explotación exitosa de características únicas nanodiamantes.
dispersión y desaglomeración por ultrasonidos son el resultado de ultrasonidos cavitación. Al exponer los líquidos al ultrasonido, las ondas de sonido que se propagan en el líquido dan como resultado alternar ciclos de alta presión y baja presión. Esto aplica estrés mecánico a las fuerzas de atracción entre las partículas individuales. La cavitación ultrasónica en líquidos produce chorros de líquido de alta velocidad de hasta 1000 km / h (aproximadamente 600 mph). Tales chorros presionan 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 colisionan a altas velocidades. Esto hace que el ultrasonido sea un medio efectivo para la dispersión pero también para el Pulverizar de micras de tamaño y partículas sub micras de tamaño.
Por ejemplo, (tamaño medio de aproximadamente 4 nm) nanodiamonds y poliestireno se pueden dispersar en ciclohexano para obtener un material compuesto especial. En su estudio, Chipara et al. (2010) han preparado materiales compuestos de poliestireno y nanodiamonds, que contiene nanodiamonds en un rango entre el peso 0 y 25%. Para obtener una aún dispersión, Se sometieron a sonicación la solución durante 60 min con Hielscher de UIP1000hd (1 kW).

Asistida por ultrasonidos Funcionalización de Nanodiamantes

Para la funcionalización de la superficie completa de cada uno de partículas 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 como las partículas bien dispersadas están rodeados por una capa límite de moléculas atraídos a la superficie de la partícula. Para conseguir nuevos grupos funcionales a la superficie nanodiamonds’, esta capa límite tiene que ser roto o retirado. Este proceso de rotura y la eliminación de la capa límite puede ser realizada por ultrasonidos.
Ultrasonido introdujo en líquido genera diversos efectos extremos como cavitación, Localmente muy altas temperaturas de hasta 2000K y chorros de líquido de hasta 1.000 kilometros / hr. (Suslick 1998) Por este estrés factores de las fuerzas de atracción (por ejemplo, fuerzas de van-der-Waals) se pueden superar y las moléculas funcionales se llevan a la superficie de la partícula para funcionalizar, por ejemplo superficie nanodiamonds’.

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 in situ-desaglomeración y funcionalización de la superficie de nanodiamonds (Liang 2011)

Los experimentos con el tratamiento asistida-Bead Desintegración de Sonic (BASD) han mostrado resultados prometedores para el funcionalization superficie de nanodiamonds también. De ese modo, los granos (por ejemplo, cuentas de cerámica de tamaño micro tales como perlas de ZrO2) se han utilizado para hacer cumplir la ultrasónico cavitacional fuerzas sobre las partículas nanodiamantes. La desaglomeración se produce debido a la colisión interparticular entre las partículas nanodiamantes y la de ZrO2 rosario.
Debido a la mejor disponibilidad de la superficie de partículas, para reacciones químicas tales como la Boran reducción, arilación o silanización, una (bead-asistida desintegración sónica) pre-tratamiento ultrasónico o BASD para dispersar propósito es muy recomendable. por ultrasónica Dispersión y desaglomeración la reacción química puede proceder mucho más completo.

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

resultados caviatation ultrasónica en las diferencias de temperatura y de presión extrema y chorros de líquido de alta velocidad. De esta manera, los ultrasonidos de potencia es un método de tratamiento exitoso para la mezcla y molienda de aplicaciones.

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Literatura/Referencias

  • Chipara, A. C. et al .: propiedades térmicas de partículas nanodiamantes dispersas en poliestireno. HESTEC 2010.
  • El-Say, K. M .: Nanodiamantes como un sistema de suministro de fármaco: Aplicación y prospectivo. En J Appl Pharm Sci 01/06, 2011; pp. 29-39.
  • Khachatryan, A. Kh. et al .: transformación-grafito-a diamante inducido por cavitación ultrasónica. En: Diamante & Materiales relacionados 17, 2008; pp931-936.
  • Krueger, A .: La estructura y reactividad de diamante nanoescala. En: J Mater Chem 18, 2008; pp. 1485-1492.
  • Liang, Y:. Desaglomeración y la superficie de nanodiamante por medio de métodos mecanoquímicos termoquímico y. 2011th Disertación Julius-Maximilians-Universität Würzburg
  • Osawa, E .: monodispersas partículas nanodiamantes individuales. En: Pure Appl Chem 80/7, 2008; pp. 1365-1379.
  • Pramatarova, L. et al .: La ventaja de compuestos del polímero con detonación nanodiamantes partículas para aplicaciones médicas. En: En biomimética; pp. 298-320.
  • Sun, L .; Gong, J .; Zhu, D .; Zhu, Z .; Él, S .: Diamond Nanorods de nanotubos de carbono. En: Materiales Avanzados 16/2004. pp. 1849-1853.
  • Suslick, K.S .: Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology. 4ª ed. J. Wiley & Sons: Nueva York; 26, 1998; pp. 517-541.

nanodiamantes – Uso y Aplicaciones

Los granos nanodiamantes son inestables debido a su potencial zeta. De este modo, tienden altamente para formar agregados. Una aplicación común de nanodiamonds es el uso en abrasivos, herramientas de corte y pulido y disipadores de calor. Otro uso potencial es la aplicación de nanodiamonds como portador de fármacos para los componentes activos farmacéuticos (cf. Pramatarova). Por ultrasonicación, En primer lugar nanodiamonds pueden sintetizarse a partir de grafito y en segundo lugar, los nanodiamonds fuertemente que tiende a la aglomeración pueden ser uniformemente dispersado en medios líquidos (por ejemplo, para formular un agente de pulido).