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 nanodiamondi raviks
Nanodiamondid (nimetatakse ka detonatsiooniteemantideks (DND) või ultradisperseeritud teemantideks (UDD)) on süsiniknanomaterjalide erivorm, mida eristavad ainulaadsed omadused – näiteks selle võre struktuur, selle suur Pind, samuti ainulaadne Optiline ja Magnetic omadused – ja erakordsed rakendused. Ultradisperseeritud osakeste omadused muudavad need materjalid uuenduslikeks ühenditeks erakordsete funktsioonidega uudsete materjalide loomiseks. Teemandiosakeste suurus tahmas on umbes 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
Nagu juba kirjeldatud, on deagglomeratsioon ja osakeste ühtlane suuruse jaotus söötmes nanodiamondide ainulaadsete omaduste edukaks kasutamiseks hädavajalikud.
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 võib nanodiamonde (keskmine suurus umbes 4nm) ja polüstüreeni hajutada tsükloheksaanis, et saada spetsiaalne komposiit. Oma uuringus on Chipara jt (2010) valmistanud polüstüreenist ja nanodiamondidest komposiite, mis sisaldavad nanodiamonde vahemikus 0 kuni 25% kaalust. Ühtlase taseme saamiseks Dispersioon, nad sonikeerisid lahust 60 minutit Hielscheri omaga UIP1000hd (1kW).
Nanodiamondide ultraheli abil funktsionaliseerimine
Iga nanosuuruses osakese kogu pinna funktsionaliseerimiseks peab osakese pind olema keemiliseks reaktsiooniks kättesaadav. See tähendab, et vajalik on ühtlane ja peen dispersioon, kuna hästi dispergeeritud osakesi ümbritseb osakeste pinnale tõmmatud molekulide piirkiht. Uute funktsionaalsete rühmade saamiseks nanodiamondide pinnale tuleb see piirikiht purustada või eemaldada. Seda piirikihi purunemise ja eemaldamise protsessi saab läbi viia ultraheli abil.
Vedelikku viidud ultraheli tekitab mitmesuguseid äärmuslikke efekte, näiteks: Kavitatsioon, lokaalselt väga kõrge temperatuur kuni 2000K ja vedelikujoad kuni 1000km / h. (Suslick 1998) Selle stressiteguriga saab ületada ligitõmbavad jõud (nt Van-der-Waalsi jõud) ja funktsionaalsed molekulid kantakse funktsionaliseerimiseks osakese pinnale, nt nanodiamondide pinnale.
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 pinna parema kättesaadavuse tõttu on keemiliste reaktsioonide, näiteks Borani redutseerimise, arüülimise või silaanimise korral väga soovitatav ultraheli või BASD (helmeste abil heliline lagunemine) eeltöötlus hajutamise eesmärgil. Ultraheli abil Hajutamine ja deagglomeratsioon Keemiline reaktsioon võib toimuda palju täielikumalt.
Ultraheli kaaviatatsiooni tulemuseks on äärmuslikud temperatuuri ja rõhu erinevused ning kiired vedelikujoad. Seega on võimsuse ultraheli edukas töötlemismeetod rakenduste segamiseks ja jahvatamiseks.
Võta meiega ühendust! / Küsi meilt!
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).