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.

Ultraheli nanoteemantide töötlemisel

Nanoteemandid (mida nimetatakse ka detoneerimisteemantideks (DND) või ülikõrgelt dispergeeritud teemantideks (UDD)) on süsiniknanomaterjalide erivorm, mida iseloomustavad unikaalsed omadused – nagu võrestikustruktuur, suur pindala ning ainulaadsed optilised ja magnetilised omadused – ning erakordsed funktsionaalsed võimalused. Ultradisperseeritud osakeste omadused muudavad need materjalid innovaatilisteks ühenditeks, millest saab luua uudseid materjale erakordsete funktsioonidega. Tahmas leiduvate teemantosakeste suurus on umbes 5 nm.

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.

Selles videos näitame teile 2 kilovatti ultraheli süsteemi inline kasutamiseks puhastatavas kapis. Hielscher tarnib ultraheli seadmeid peaaegu kõikidele tööstusharudele, nagu keemiatööstus, farmaatsia-, kosmeetika-, naftakeemiaprotsessid, samuti lahustipõhised ekstraheerimisprotsessid. See puhastatav roostevabast terasest kapp on mõeldud kasutamiseks ohtlikes piirkondades. Selleks saab klient suletud kappi puhastada lämmastiku või värske õhuga, et vältida tuleohtlike gaaside või aurude sattumist kappi.

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.

Ultraheli sünteesitud teemandid (SEM-pildid): Suure võimsusega ultraheli annab nanodiamondide indutseerimiseks vajaliku energia' süntesaat

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

Nagu juba kirjeldatud, on aglomeerumise vältimine ja osakeste ühtlane suurusjaotus keskkonnas nanoteemantide edukaks kasutamiseks hädavajalikud’ eripärad.
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.
Näiteks saab nanoteemante (keskmine suurus umbes 4 nm) ja polüstüreeni tsükloheksaanis dispergeerida, et saada spetsiaalne komposiitmaterjal. Oma uuringus on Chipara jt (2010) valmistanud polüstüreeni ja nanoteemantide komposiite, milles nanoteemantide sisaldus on vahemikus 0–25 massiprotsenti. Ühtlase dispersiooni saamiseks töötlesid nad lahust 60 minutit Hielscheri 1000-vattise võimsa ultraheli seadmega mudel UIP1000hd.
Loe lähemalt ultraheli abil toimuva nanoteemantide tükeldamise kohta!

Nanodiamondide ultraheli abil funktsionaliseerimine

Iga nanomõõtmelise osakese kogu pinna funktsionaliseerimiseks peab osakese pind olema keemiliseks reaktsiooniks kättesaadav. See tähendab, et vaja on ühtlast ja peent dispersiooni, kuna hästi dispergeeritud osakesi ümbritseb molekulide piirkihi, mis on osakese pinnale tõmmatud. Uute funktsionaalsete rühmade lisamiseks nanoteemantidele’ pinnalt tuleb see piirkihi purustada või eemaldada. Seda piirkihi purustamise ja eemaldamise protsessi saab teostada ultraheli abil.
Vedelikku viidud ultraheli tekitab mitmesuguseid äärmuslikke efekte, näiteks: Kavitatsioon, kohalikult väga kõrge temperatuur kuni 2000 K ja vedelikujoad kiirusega kuni 1000 km/h. (Suslick 1998) Nende pingetegurite mõjul on võimalik ületada tõmbejõud (nt Van der Waalsi jõud) ning funktsionaalsed molekulid kantakse osakese pinnale funktsionaliseerimiseks, nt nanoteemantide puhul’ pind.

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

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.
Osakeste parema kättesaadavuse tõttu’ Pinna puhul, kui soovitakse läbi viia selliseid keemilisi reaktsioone nagu boraani redutseerimine, arüülimine või silaniseerimine, on dispersiooniks väga soovitatav kasutada ultraheli- või BASD-eeltöötlust (bead-assisted sonic disintegration). Ultraheli abil Hajutamine ja deagglomeratsioon Keemiline reaktsioon võib toimuda palju täielikumalt.

Võta meiega ühendust! / Küsi meilt!

Seotud teemad

Kirjandus / viited

Khachatryan, A. Kh. et al.: Grafiit-teemant transformatsioon, mis on indutseeritud ultraheli kavitatsiooniga. In: Teemant & Seotud materjalid 17, 2008; lk931-936.
Galimov, Erik & Kudin, A. & Skorobogatskii, V. & Plotnichenko, V. & Bondarev, O. & Zarubin, B. & Strazdovskii, V. & Aronin, Aleksandr & Fisenko, A. & Bõkov, I. & Barinov, A.. (2004): Teemandi sünteesi eksperimentaalne kinnitamine kavitatsiooniprotsessis. Doklady füüsika – DOKL PHYS. 49. 150-153.
Turcheniuk, K., Trecazzi, C., Deeleepojananan, C., & Mochalin, V. N. (2016): Nanodiamondi soola abil ultraheli deaggregatsioon. ACS-i rakendatud materjalid & Liidesed, 8(38), 25461–25468.
Basma H. Al-Tamimi, Iman I. Jabbar, Haitham M. Al-Tamimi (2919): Nanokristalse teemandi süntees ja iseloomustamine grafiidihelvestest kavitatsiooni soodustatud protsessi kaudu. Heliyon, 5. köide, 5. väljaanne. 2019.
Krueger, A.: Nanoskaalas teemandi struktuur ja reaktsioonivõime. In: J Mater Chem 18, 2008; lk 1485-1492.
Liang, Y.: Deagglomerierung und Oberflächenfunktionalisierung von Nanodiamant mittels thermochemischer und mechanochemischer Methoden. Doktoritöö, Julius-Maximilian-Universität, Würzburg, 2011.
Osawa, E.: Monodisperssed üksikud nanodiamondi osakesed. In: Pure Appl Chem 80/7, 2008; lk 1365-1379.
Pramatarova, L. et al.: Detonatsiooni nanodiamondi osakestega polümeerkomposiitide eelis meditsiinilisteks rakendusteks. In: Biomimeetika kohta; lk 298-320.
Päike, L.; Gong, J.; Zhu, D.; Zhu, Z.; Ta, S.: Süsiniknanotorude teemant-nanorodid. In: Täiustatud materjalid 16/2004. lk 1849-1853.
Suslick, K.S.: Kirk-Othmeri keemiatehnoloogia entsüklopeedia. 4. väljaanne J. Wiley & Pojad: New York; 26, 1998; lk 517-541.
Chipara, A. C. jt: Polüstüreenis dispergeeritud nanodiamondi osakeste termilised omadused. HESTEC 2010.
El-Say, K. M.: Nanodiamondid kui ravimite manustamissüsteem: rakendamine ja perspektiiv. J Appl Pharm Sci 01/06, 2011; lk 29-39.

nanodiamondid – Kasutamine ja rakendused

Nanodiamondi terad on oma zeta-potentsiaali tõttu ebastabiilsed. Seega kipuvad nad väga moodustama agregaate. Nanodiamondide tavaline kasutusala on kasutamine abrasiivides, lõikamis- ja poleerimistööriistades ning jahutusradiaatorites. Teine võimalik kasutusviis on nanodiamondide kasutamine farmatseutiliste aktiivsete komponentide ravimikandjana (vrd Pramatarova). Poolt ultraheliuuring, esiteks saab nanodiamonde sünteesida grafiidist ja teiseks võivad tugevalt aglomeratsioonile kalduvad nanodiamondid olla ühtlaselt Hajutatud vedelasse keskkonda (nt poleerimisaine valmistamiseks).