Nanodiamondide ultraheli süntees

• Tänu oma intensiivsele kavitatsioonijõule on võimsuse ultraheli paljutõotav meetod mikroni- ja nanosuuruses teemantide tootmiseks grafiidist.
• Mikro- ja nanokristalseid teemante saab sünteesida, sonikeerides grafiidi suspensiooni orgaanilises vedelikus atmosfäärirõhul ja toatemperatuuril.
• Ultraheli on ka kasulik vahend sünteesitud nano teemantide järeltöötluseks, kuna ultraheli hajutab, deagglomereerib ja funktsionaliseerib nanoosakesi väga tõhusalt.

Ultrasonics for Nanodiamond Processing

Nanodiamonds (also called detonation diamonds (DND) or ultradispersed diamonds (UDD)) are a special form of carbon nanomaterials distinguished by unique characteristics – such as its lattice structure, its large surface, as well as unique optical and magnetic properties – and exceptional functionalities. The properties of ultradispersed particles make these materials innovative compounds for the creation of novel materials with extraordinary functions. The size of the diamond particles in the soot is about 5nm.

Intensiivsete jõudude, näiteks ultrahelitöötluse või detonatsiooni korral võib grafiiti muuta teemandiks.

Ultraheli sünteesitud nanodiamondid

Teemantide süntees on oluline teadus- ja ärihuvide uurimisvaldkond. Tavaliselt kasutatav protsess mikrokristalsete ja nanokristalsete teemantosakeste sünteesiks on kõrgsurve-kõrge temperatuuri (HPHT) tehnika. Selle meetodiga tekitatakse kümnete tuhandete atmosfääride nõutav protsessirõhk ja temperatuur üle 2000K, et toota peamine osa tööstusliku teemandi ülemaailmsest pakkumisest. Grafiidi muutmiseks teemandiks on üldiselt vaja kõrget rõhku ja kõrgeid temperatuure ning teemandi saagise suurendamiseks kasutatakse katalüsaatoreid.
Neid ümberkujundamiseks vajalikke nõudeid saab väga tõhusalt luua, kasutades suure võimsusega ultraheli (= madala sagedusega, suure intensiivsusega ultraheli):

ultraheli kavitatsioon

Vedelike ultraheli põhjustab lokaalselt väga äärmuslikke mõjusid. Suure intensiivsusega vedelike ultraheliga töötlemisel põhjustavad vedelasse keskkonda levivad helilained vahelduvaid kõrgsurve (kokkusurumine) ja madala rõhuga (haruldane) tsükleid, mille kiirused sõltuvad sagedusest. Madala rõhu tsükli ajal tekitavad suure intensiivsusega ultraheli lained vedelikus väikesed vaakummullid või tühimikud. Kui mullid saavutavad mahu, mille juures nad ei suuda enam energiat absorbeerida, varisevad nad kõrgsurvetsükli ajal ägedalt kokku. Seda nähtust nimetatakse Kavitatsioon. Implosiooni ajal saavutatakse kohapeal väga kõrged temperatuurid (umbes 5,000K) ja rõhud (umbes 2,000atm). Kavitatsioonimulli implosioon põhjustab ka vedelikujoad kiirusega kuni 280 m / s. (Suslick 1998) On ilmne, et mikro- ja nanokristalliline Teemante võib sünteesida ultraheli valdkonnas Kavitatsioon.

Ultraheli protseduur nanodiamondide sünteesiks

(2008) näitab Khachatryani jt (2008) uuring, et teemantmikrokristalle saab sünteesida ka grafiidi suspensiooni ultraheliga orgaanilises vedelikus atmosfäärirõhul ja toatemperatuuril. Kavitatsioonivedelikuna on madala küllastunud aururõhu ja kõrge keemistemperatuuri tõttu valitud aromaatsete oligomeeride valem. Selles vedelikus on spetsiaalne puhas grafiidipulber – osakestega vahemikus 100-200 μm - on suspendeeritud. Kachatryani jt katsetes oli tahke vedeliku kaalu suhe 1:6, kavitatsioonivedeliku tihedus 1,1 g cm^-3 25°C juures. Sonoreactori maksimaalne ultraheli intensiivsus on olnud 75-80W cm^-2 mis vastab helirõhu amplituudile 15-16 baari.
See on saavutatud ligikaudu 10% grafiidi muundamine teemandiks. Teemandid olid peaaegu mono-hajutatud väga terava, hästi kujundatud suurusega vahemikus 6 või 9 μm ± 0,5 μm, kuupmeetriga, Kristalliline morfoloogia ja kõrge puhtusastmega.

SEM-pildid ultraheli sünteesitud teemantidest: pildid (a) ja (b) näitavad proovi seeriat 1, (c) ja (d) proovi seeriat 2. [Khachatryan et al. 2008]

See on Maksab selle meetodiga toodetud mikro- ja nanodiamondidest hinnatakse Konkurentsivõimeline kõrgsurve-kõrge temperatuuri (HPHT) protsessiga. See muudab ultraheli uuenduslikuks alternatiiviks mikro- ja nanoteemantide sünteesiks (Khachatryan et al. 2008), eriti kuna nanodiamondide tootmisprotsessi saab optimeerida täiendavate uuringutega. Paljusid parameetreid, nagu amplituud, rõhk, temperatuur, kavitatsioonivedelik ja kontsentratsioon, tuleb täpselt uurida, et avastada ultraheli nanodiamondi sünteesi magus koht.
Nanodiamondide sünteesimisel saavutatud tulemuste järgi genereeriti täiendavalt ultraheli Kavitatsioon pakub potentsiaali teiste oluliste ühendite, näiteks kuubikujulise boornitriidi, süsiniknitriidi jne sünteesiks (Khachatryan et al. 2008)
Lisaks tundub, et ultraheli kiiritamisel on võimalik luua teemant-nanotorusid ja nanorode mitme seinaga süsiniknanotorudest (MWCNT). Diamond nanowires on lahtise teemandi ühemõõtmelised analoogid. Tänu oma suurele elastsusmoodulile, tugevuse ja kaalu suhtele ning suhtelisele lihtsusele, millega selle pindu saab funktsionaliseerida, on leitud, et teemant on nanomehaaniliste kujunduste jaoks optimaalne materjal. (Päike jt 2004)

Nanodiamondide ultraheli hajutamine

As already described, the deagglomeration and the even particle size distribution in the medium are essentials for the successful exploitation of nanodiamonds’ unique characteristics.
Dispersioon ja deagglomeratsioon ultraheliga on ultraheli tulemus Kavitatsioon. Vedelike ultraheliga kokkupuutel põhjustavad vedelikku levivad helilained vahelduvaid kõrgsurve- ja madalrõhutsükleid. See rakendab mehaanilist pinget üksikute osakeste vahelistele tõmbejõududele. Ultraheli kavitatsioon vedelikes põhjustab suure kiirusega vedelikujoad kuni 1000km / h (umbes 600mph). Sellised düüsid suruvad osakeste vahel kõrge rõhu all vedelikku ja eraldavad need üksteisest. Väiksemad osakesed kiirendatakse vedelikujoadega ja põrkuvad suurel kiirusel. See muudab ultraheli tõhusaks vahendiks hajutamiseks, aga ka Freesimine mikronisuurustest ja mikronisuurustest osakestest.
For example, nanodiamonds (average size of about 4nm) and polystyrene can be dispersed in cyclohexane to obtain a special composite. In their study, Chipara et al. (2010) have prepared composites of polystyrene and nanodiamonds, containing nanodiamonds in a range between 0 and 25% weight. To obtain an even dispersion, they sonicated the solution for 60 min with the Hielscher 1000 watts powerful sonicator model UIP1000hd.
Learn more about ultrasonic nanodiamond deaggregation!

Nanodiamondide ultraheli abil funktsionaliseerimine

For the functionalization of the complete surface of each nano-sized particles, the surface of the particle must be available for chemical reaction. This means an even and fine dispersion is required as the well-dispersed particles are surrounded by a boundary layer of molecules attracted to the particle surface. To get new functional groups to nanodiamonds’ surface, this boundary layer has to be broken or removed. This process of break and removal of the boundary layer can be performed by ultrasonics.
Vedelikku viidud ultraheli tekitab mitmesuguseid äärmuslikke efekte, näiteks: Kavitatsioon, locally very high temperature up to 2000K and liquid jets of up to 1000km/hr. (Suslick 1998) By this stress factors the attracting forces (e.g. Van-der-Waals forces) can be overcome and the functional molecules are carried to the surface of the particle to functionalize, e.g. nanodiamonds’ surface.

Skeem 1: Nanodiamondide in situ-deagglomeratsiooni ja pinna funktsionaliseerimise graafik (Liang 2011)

Katsed helmeste abil helilise lagunemise (BASD) raviga on näidanud paljutõotavaid tulemusi ka nanodiamondide pinna funktsioneerimiseks. Seega on ultraheli jõustamiseks kasutatud helmeid (nt mikrosuuruses keraamilisi helmeid, nagu ZrO2 helmed) kavitatsiooniline sunnib nanodiamondi osakestele. Deagglomeratsioon tekib nanodiamondi osakeste ja ZrO vahelise spetsiifilise kokkupõrke tõttu₂ Helmed.
Due to the better availability of particles’ surface, for chemical reactions such as the Boran reduction, arylation or silanization, an ultrasonic or BASD (bead-assisted sonic disintegration) pre-treatment for dispersing purpose is highly recommended. By ultrasonic Hajutamine ja deagglomeratsioon Keemiline reaktsioon võib toimuda palju täielikumalt.