سنتز فراصوتی نانوالماس‌ها
فراصوت برای فرآوری نانوالماس
نانوالماس‌ها که الماس‌های انفجاری (DND) یا الماس‌های فوق‌پراکنده (UDD) نیز نامیده می‌شوند، شکل ویژه‌ای از نانومواد کربنی هستند که با ویژگی‌های منحصربه‌فرد – مانند ساختار شبکه‌ای، مساحت سطح زیاد و نیز خواص نوری و مغناطیسی منحصربه‌فرد – و قابلیت‌های عملکردی استثنایی متمایز می‌شوند. خواص ذرات فوق‌پراکنده، این مواد را به ترکیباتی نوآورانه برای ساخت مواد جدید با عملکردهای خارق‌العاده تبدیل می‌کند. اندازهٔ ذرات الماس در دوده حدود 5nm است.
گرافیت تحت نیروهای شدید، مانند نیروهای ناشی از فراصوت‌دهی یا انفجار، می‌تواند به الماس تبدیل شود.
نانوالماس‌های سنتزشده با فراصوت
سنتز الماس از نظر علمی و تجاری حوزهٔ پژوهشی مهمی است. فرایند متداول برای سنتز ذرات الماس ریزبلوری و نانوبلوری، روش فشار بالا–دمای بالا (HPHT) است. در این روش، فشار فرایندی موردنیاز در حد ده‌ها هزار اتمسفر و دماهای بالاتر از 2000K ایجاد می‌شود تا بخش عمده‌ای از الماس صنعتی عرضه‌شده در جهان تولید شود. برای تبدیل گرافیت به الماس، عموماً فشارها و دماهای بالا لازم است و از کاتالیزورها برای افزایش بازده تولید الماس استفاده می‌شود.
این شرایط لازم برای تبدیل را می‌توان با کارایی بسیار بالا از طریق استفاده از فراصوت پرتوان (= فراصوت با فرکانس پایین و شدت بالا) ایجاد کرد:
کاویتاسیون فراصوتی
فراصوت در مایعات، اثرات موضعی بسیار شدیدی ایجاد می‌کند. هنگام فراصوت‌دهی مایعات با شدت بالا، امواج صوتی منتشرشونده در محیط مایع موجب چرخه‌های متناوب پرفشار (تراکم) و کم‌فشار (انبساط) می‌شوند که آهنگ آن‌ها به فرکانس بستگی دارد. در چرخهٔ کم‌فشار، امواج فراصوتی با شدت بالا، حباب‌های کوچک خلأ یا حفره‌هایی در مایع ایجاد می‌کنند. هنگامی که حباب‌ها به حجمی می‌رسند که دیگر نمی‌توانند انرژی جذب کنند، در یک چرخهٔ پرفشار به‌شدت فرومی‌پاشند. این پدیده کاویتاسیون نامیده می‌شود. در جریان فروپاشی به درون، دماهای بسیار بالا (حدود 5٬000K) و فشارهای بسیار بالا (حدود 2٬000atm) به‌صورت موضعی ایجاد می‌شوند. فروپاشی حباب کاویتاسیون همچنین جت‌های مایع با سرعتی تا 280m/s ایجاد می‌کند. (Suslick 1998) بدیهی است که امکان سنتز الماس‌های ریزبلوری و نانوبلوری در میدان کاویتاسیون فراصوتی وجود دارد.
روش فراصوتی برای سنتز نانوالماس‌ها
در واقع، مطالعهٔ Khachatryan et al. (2008) نشان می‌دهد که ریزبلورهای الماس را می‌توان با فراصوت‌دهی سوسپانسیونی از گرافیت در یک مایع آلی، در فشار اتمسفری و دمای اتاق نیز سنتز کرد. به‌عنوان سیال کاویتاسیون، فرمولاسیونی از الیگومرهای آروماتیک به‌دلیل فشار بخار اشباع پایین و دمای جوش بالای آن انتخاب شده است. پودر گرافیت خالص ویژه – با ذراتی در محدودهٔ 100-200 µm – در این مایع معلق شده است. در آزمایش‌های Kachatryan et al.، نسبت وزنی جامد به سیال 1:6 و چگالی سیال کاویتاسیون 1٫1g cm-3 در 25°C بود. بیشینهٔ شدت فراصوت در راکتور صوتی 75-80W cm-2 بوده که متناظر با دامنهٔ فشار صوتی 15-16 bar است.
تبدیل گرافیت به الماس به میزان تقریبی 10% حاصل شد. الماس‌ها تقریباً تک‌پراکنش بودند و توزیع اندازه‌ای بسیار باریک و به‌خوبی تنظیم‌شده در محدودهٔ 6 یا 9μm ± 0٫5μm، با ریخت‌شناسی مکعبی و بلوری و خلوص بالا داشتند.
تصاویر SEM از الماس‌های سنتزشده با فراصوت: تصاویر (a) و (b) مجموعه‌نمونهٔ 1 و تصاویر (c) و (d) مجموعه‌نمونهٔ 2 را نشان می‌دهند. [Khachatryan et al. 2008]
برآورد می‌شود هزینه‌های میکروالماس‌ها و نانوالماس‌های تولیدشده با این روش رقابت‌پذیر با فرایند فشار بالا–دمای بالا (HPHT) باشد. این امر فراصوت را به جایگزینی نوآورانه برای سنتز میکروالماس‌ها و نانوالماس‌ها تبدیل می‌کند (Khachatryan et al. 2008)، به‌ویژه از آن رو که فرایند تولید نانوالماس‌ها را می‌توان با پژوهش‌های بیشتر بهینه کرد. پارامترهای متعددی مانند دامنه، فشار، دما، سیال کاویتاسیون و غلظت باید به‌دقت بررسی شوند تا شرایط بهینهٔ سنتز فراصوتی نانوالماس مشخص شود.
با توجه به نتایج به‌دست‌آمده در سنتز نانوالماس‌ها، همچنین کاویتاسیون ایجادشده با فراصوت، ظرفیت بالقوه‌ای برای سنتز ترکیبات مهم دیگر مانند نیترید بور مکعبی، نیترید کربن و غیره فراهم می‌کند. (Khachatryan et al. 2008)
علاوه بر این، به نظر می‌رسد تولید نانوسیم‌ها و نانومیله‌های الماس از نانولوله‌های کربنی چنددیواره (MWCNTs) تحت تابش فراصوت امکان‌پذیر باشد. نانوسیم‌های الماس، همتایان یک‌بعدی الماس توده‌ای هستند. الماس به‌دلیل مدول الاستیک بالا، نسبت استحکام به وزن بالا و سهولت نسبی عامل‌دار کردن سطوح آن، ماده‌ای بهینه برای طراحی‌های نانومکانیکی شناخته شده است. (Sun et al. 2004)
پراکنده‌سازی فراصوتی نانوالماس‌ها
همان‌طور که پیش‌تر توضیح داده شد، کلوخه‌زدایی و توزیع یکنواخت اندازهٔ ذرات در محیط، برای بهره‌برداری موفق از ویژگی‌های منحصربه‌فرد نانوالماس‌ها ضروری هستند.
پراکنده‌سازی و کلوخه‌زدایی با فراصوت‌دهی، نتیجهٔ کاویتاسیون فراصوتی هستند. هنگامی که مایعات در معرض فراصوت قرار می‌گیرند، امواج صوتی منتشرشونده در مایع موجب چرخه‌های متناوب پرفشار و کم‌فشار می‌شوند. این امر به نیروهای جاذبهٔ بین ذرات منفرد تنش مکانیکی وارد می‌کند. کاویتاسیون فراصوتی در مایعات، جت‌های پرسرعت مایع با سرعتی تا 1000km/hr (حدود 600mph) ایجاد می‌کند. این جت‌ها مایع را با فشار بالا به میان ذرات می‌رانند و آن‌ها را از یکدیگر جدا می‌کنند. ذرات کوچک‌تر همراه با جت‌های مایع شتاب می‌گیرند و با سرعت بالا با یکدیگر برخورد می‌کنند. به‌این‌ترتیب، فراصوت ابزاری مؤثر برای پراکنده‌سازی و همچنین آسیاب‌کاری ذرات میکرونی و زیرمیکرونی است.
برای مثال، نانوالماس‌ها (با اندازهٔ متوسط حدود 4nm) و پلی‌استایرن را می‌توان در سیکلوهگزان پراکنده کرد تا کامپوزیتی ویژه به دست آید. Chipara et al. (2010) در مطالعهٔ خود کامپوزیت‌هایی از پلی‌استایرن و نانوالماس تهیه کرده‌اند که حاوی نانوالماس در محدودهٔ 0 تا 25% وزنی هستند. برای دستیابی به پراکندگی یکنواخت، آن‌ها محلول را به‌مدت 60 min با سونیکاتور پرتوان 1000 وات ساخت Hielscher مدل UIP1000hd فراصوت‌دهی کردند.
دربارهٔ تجمع‌زدایی فراصوتی نانوالماس بیشتر بخوانید!
عامل‌دار کردن نانوالماس‌ها به کمک فراصوت
برای عامل‌دار کردن تمام سطح هر ذرهٔ نانومتری، سطح ذره باید برای واکنش شیمیایی در دسترس باشد. این بدان معناست که پراکندگی ریز و یکنواخت لازم است، زیرا ذراتی که به‌خوبی پراکنده شده‌اند، با لایه‌ای مرزی از مولکول‌های جذب‌شده به سطح ذره احاطه می‌شوند. برای رساندن گروه‌های عاملی جدید به سطح نانوالماس‌ها، این لایهٔ مرزی باید شکسته یا حذف شود. فرایند شکستن و حذف لایهٔ مرزی را می‌توان با فراصوت انجام داد.
فراصوت واردشده به مایع، اثرات شدید گوناگونی ایجاد می‌کند، مانند کاویتاسیون، دماهای موضعی بسیار بالا تا 2000K و جت‌های مایع با سرعتی تا 1000km/hr. (Suslick 1998) این عوامل تنش‌زا می‌توانند بر نیروهای جاذبه (برای مثال نیروهای واندروالس) غلبه کنند و مولکول‌های عاملی را برای عامل‌دار کردن سطح ذره، مثلاً سطح نانوالماس‌ها، به آن برسانند.
طرح‌وارهٔ 1: نمایش گرافیکی کلوخه‌زدایی درجا و عامل‌دار کردن سطح نانوالماس‌ها (Liang 2011)
آزمایش‌های انجام‌شده با تیمار فروپاشی صوتی به کمک مهره (BASD) برای عامل‌دار کردن سطح نانوالماس‌ها نیز نتایج امیدبخشی نشان داده‌اند. در این روش، از مهره‌ها (برای مثال مهره‌های سرامیکی میکرونی مانند مهره‌های ZrO2) برای تقویت اعمال نیروهای کاویتاسیونی ناشی از فراصوت بر ذرات نانوالماس استفاده شده است. کلوخه‌زدایی بر اثر برخوردهای بین ذرات نانوالماس و مهره‌های ZrO2 رخ می‌دهد.
به‌دلیل دسترسی بهتر به سطح ذرات، برای واکنش‌های شیمیایی مانند احیا با بوران، آریل‌دار کردن یا سیلان‌دار کردن، پیش‌تیمار فراصوتی یا BASD (فروپاشی صوتی به کمک مهره) با هدف پراکنده‌سازی قویاً توصیه می‌شود. با پراکنده‌سازی و کلوخه‌زدایی فراصوتی، واکنش شیمیایی می‌تواند بسیار کامل‌تر پیش برود.
کاویتاسیون فراصوتی موجب اختلاف‌های شدید دما و فشار و ایجاد جت‌های پرسرعت مایع می‌شود. ازاین‌رو، فراصوت پرتوان روشی موفق برای فرآوری در کاربردهای اختلاط و آسیاب‌کاری است.
با ما تماس بگیرید! / از ما بپرسید!
منابع / مراجع
- Khachatryan, A. Kh. et al.: Graphite-to-diamond transformation induced by ultrasonic cavitation. In: Diamond & Related Materials 17, 2008; pp931-936.
- Galimov, Erik & Kudin, A. & Skorobogatskii, V. & Plotnichenko, V. & Bondarev, O. & Zarubin, B. & Strazdovskii, V. & Aronin, Alexandr & Fisenko, A. & Bykov, I. & Barinov, A.. (2004): تأیید تجربی سنتز الماس در فرآیند کاویتاسیون. Doklady Physics – DOKL PHYS. 49. 150-153.
- Turcheniuk, K., Trecazzi, C., Deeleepojananan, C., & Mochalin, V. N. (2016): Salt-Assisted Ultrasonic Deaggregation of Nanodiamond. ACS Applied Materials & Interfaces, 8(38), 25٬461–25٬468.
- Basma H. Al-Tamimi, Iman I. Jabbar, Haitham M. Al-Tamimi (2919): سنتز و شناسایی نانوکریستالی الماس از پرک های گرافیتی با استفاده از فرایند ترویج کاویتاسیون. Heliyon, Volume 5, Issue 5. 2019.
- Krueger، A.: ساختار و واکنش پذیری الماس در مقیاس نانو. در: J Mater Chem 18, 2008; صص 1485-1492.
- Liang, Y.: Deagglomerierung und Oberflächenfunktionalisierung von Nanodiamant mittels thermochemischer und mechanochemischer Methoden. Dissertation Julius-Maximilian-Universität Würzburg 2011.
- Osawa, E.: Monodisperse single nanodiamond particulates. In: Pure Appl Chem 80/7, 2008; pp. 1365-1379.
- Pramatarova، L. و همکاران: مزیت کامپوزیت های پلیمری با ذرات نانوالماس انفجاری برای کاربردهای پزشکی. که در: در زیست تقلید; صص 298-320.
- خورشید، L.; گونگ ، ج. ژو ، دی. ژو، ز.; او ، س.: نانومیله های الماس از نانولوله های کربنی. در: مواد پیشرفته 16/2004. صص 1849-1853.
- Suslick, K.S.: Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology. 4th ed. J. Wiley & Sons: New York; 26, 1998; pp. 517-541.
- Chipara، A. C. et al.: خواص حرارتی ذرات نانوالماس پراکنده شده در پلی استایرن. HESTEC 2010.
- ال سای ، ک. م.: نانوالماس به عنوان یک سیستم تحویل دارو: کاربرد و آینده نگر. در J Appl Pharm Sci 01/06, 2011; صص 29-39.
نانوالماس‌ها – استفاده و کاربردها
دانه‌های نانوالماس به‌دلیل پتانسیل زتای خود ناپایدار هستند. ازاین‌رو، تمایل زیادی به تشکیل تجمع دارند. یکی از کاربردهای رایج نانوالماس‌ها، استفاده در مواد ساینده، ابزارهای برش و پرداخت و گرماگیرها است. کاربرد بالقوهٔ دیگر، استفاده از نانوالماس‌ها به‌عنوان حامل دارو برای مواد مؤثرهٔ دارویی است (رجوع کنید به Pramatarova). با فراصوت‌دهی، نخست می‌توان نانوالماس‌ها را از گرافیت سنتز کرد و دوم، نانوالماس‌هایی را که تمایل شدیدی به کلوخه‌شدن دارند، به‌طور یکنواخت در محیط‌های مایع پراکنده کرد (برای مثال برای فرمولاسیون یک مادهٔ پرداخت).