Nanotimanttien ultraäänisynteesi

• Voimakkaan kavitaatiovoimansa ansiosta tehon ultraääni on lupaava tekniikka mikroni- ja nanokokoisten timanttien tuottamiseksi grafiitista.
• Mikro- ja nanokiteisiä timantteja voidaan syntetisoida sonikoimalla grafiitin suspensio orgaanisessa nesteessä ilmakehän paineessa ja huoneenlämpötilassa.
• Ultraääni on myös hyödyllinen työkalu syntetisoitujen nanotimanttien jälkikäsittelyyn, koska ultrasonication hajottaa, deagglomeraatteja ja funktionalisoi nanohiukkasia erittäin tehokkaasti.

Ultrasonics nanodiamond-hoitoon

Nanotimantit (joita kutsutaan myös räjähdystimanteiksi (DND) tai ultradispergoiduiksi timanteiksi (UDD)) ovat erityinen hiilinanomateriaalien muoto, joka erottuu ainutlaatuisista ominaisuuksista - kuten sen hila rakenne, sen suuri Pintasekä ainutlaatuinen optinen ja magneettinen ominaisuuksia – ja poikkeuksellisia käyttökohteita. Ultradispergoituneiden hiukkasten ominaisuudet tekevät näistä materiaaleista innovatiivisia yhdisteitä uusien materiaalien luomiseksi, joilla on poikkeuksellisia toimintoja. Noessa olevien timanttihiukkasten koko on noin 5 nm.

Voimakkaissa voimissa, kuten sonikaatiossa tai räjähdyksessä, grafiitti voidaan muuntaa timantiksi.

Ultraäänellä syntetisoidut nanotimantit

Timanttien synteesi on tärkeä tutkimusala tieteellisten ja kaupallisten etujen kannalta. Yleisesti käytetty prosessi mikrokiteisten ja nanokiteisten timanttihiukkasten synteesissä on korkean paineen ja korkean lämpötilan (HPHT) tekniikka. Tällä menetelmällä tuotetaan kymmenien tuhansien ilmakehän vaadittu prosessipaine ja yli 2000 K: n lämpötilat, jotta saadaan suurin osa teollisten timanttien maailmanlaajuisesta tarjonnasta. Grafiitin muuntamiseksi timantiksi tarvitaan yleensä korkeita paineita ja korkeita lämpötiloja, ja katalyyttejä käytetään timantin saannon lisäämiseksi.
Nämä muuntamiseen tarvittavat vaatimukset voidaan luoda erittäin tehokkaasti käyttämällä suuritehoinen ultraääni (= matalataajuinen, korkean intensiteetin ultraääni):

ultraääni kavitaatio

Nesteiden ultraääni aiheuttaa paikallisesti erittäin äärimmäisiä vaikutuksia. Kun sonikoidaan nesteitä suurilla intensiteeteillä, nestemäiseen väliaineeseen leviävät ääniaallot johtavat vuorotellen korkeapaineisiin (puristus) ja matalapaineisiin (harvinaisuus) sykleihin, joiden nopeudet riippuvat taajuudesta. Matalapainesyklin aikana korkean intensiteetin ultraääniaallot luovat pieniä tyhjiökuplia tai tyhjiöitä nesteeseen. Kun kuplat saavuttavat tilavuuden, jossa ne eivät enää pysty absorboimaan energiaa, ne romahtavat voimakkaasti korkeapainesyklin aikana. Tätä ilmiötä kutsutaan kavitaatio. Luhistumisen aikana saavutetaan paikallisesti erittäin korkeat lämpötilat (noin 5 000 K) ja paineet (noin 2 000 atm). Kavitaatiokuplan luhistuminen johtaa myös nestesuihkuihin, joiden nopeus on jopa 280 m/s. (Suslick 1998) On selvää, että mikro- ja nanokiteinen Timantit voidaan syntetisoida ultraäänialalla kavitaatio.

Ultraäänimenettely nanotimanttien synteesiin

(2008) osoittaa, että timanttimikrokiteitä voidaan syntetisoida myös grafiitin suspension ultraäänellä orgaanisessa nesteessä ilmakehän paineessa ja huoneenlämpötilassa. Kavitaationesteeksi on valittu aromaattisten oligomeerien kaava sen alhaisen tyydyttyneen höyrynpaineen ja korkean kiehumislämpötilan vuoksi. Tässä nesteessä erityinen puhdas grafiittijauhe – joiden hiukkaset ovat välillä 100-200 μm – on suspendoitunut. Kachatryanin et ai. kokeissa kiinteän ja nesteen painosuhde oli 1:6, kavitaationesteen tiheys oli 1,1 g cm^-3 25 °C:ssa. Suurin ultraääniintensiteetti sonoreaktorissa on ollut 75-80W cm^-2 vastaa äänenpaineen amplitudia 15-16 bar.
Se on saavutettu noin 10%: n grafiitin muuntamiseksi timantiksi. Timantit olivat melkein monodispergoitu erittäin terävä, hyvin suunniteltu koko välillä 6 tai 9 μm ± 0,5 μm, kuutiometriä, kuutiometriä, kiteinen morfologia ja korkea puhtaus.

SEM-kuvat ultraäänellä syntetisoiduista timanteista: kuvat (a) ja (b) näyttävät näytesarjan 1, (c) ja (d) näytesarjan 2. [Khachatryan ym. 2008]

Sitä kustannukset tällä menetelmällä tuotetuista mikro- ja nanotimanteista arvioidaan olevan kilpailuhenkinen korkean paineen ja korkean lämpötilan (HPHT) prosessilla. Tämä tekee ultraäänestä innovatiivisen vaihtoehdon mikro- ja nanotimanttien synteesille (Khachatryan et ai., 2008), varsinkin kun nanotimanttien tuotantoprosessi voidaan optimoida lisätutkimuksilla. Monet parametrit, kuten amplitudi, paine, lämpötila, kavitaationeste ja pitoisuus, on tutkittava tarkasti, jotta löydetään ultraääninanotimanttisynteesin makea piste.
Nanotimanttien syntetisoinnissa saavutettujen tulosten perusteella, edelleen ultraäänellä tuotettu kavitaatio tarjoaa mahdollisuuden muiden tärkeiden yhdisteiden, kuten kuutioboorinitridin, hiilinitridin jne., synteesiin (Khachatryan et al. 2008)
Lisäksi näyttää olevan mahdollista luoda timanttinanolankoja ja nanosauvoja moniseinäisistä hiilinanoputkista (MWCNT) ultraäänisäteilytyksessä. Timanttinanolangat ovat irtotimantin yksiulotteisia analogeja. Korkean elastisen moduulinsa, lujuus-painosuhteensa ja suhteellisen helppouden ansiosta, jolla sen pinnat voidaan funktionalisoida, timantin on todettu olevan optimaalinen materiaali nanomekaanisiin malleihin. (Sun ym. 2004)

Nanotimanttien ultraäänidispergointi

Kuten edellä on jo kuvattu, deagglomeraatio ja tasainen hiukkaskokojakauma väliaineessa ovat olennaisia tekijöitä nanotimanttien ainutlaatuisten ominaisuuksien onnistuneelle hyödyntämiselle.
hajonta ja deagglomeraatio Ultrasonication ovat seurausta ultrasonicista kavitaatio. Kun nesteitä altistetaan ultraäänelle, nesteeseen leviävät ääniaallot johtavat vuorotellen korkeapaineisiin ja matalapaineisiin sykleihin. Tämä kohdistaa mekaanista rasitusta yksittäisten hiukkasten välisiin vetovoimatekijöihin. Nesteiden ultraäänikavitaatio aiheuttaa nopeita nestesuihkuja, joiden nopeus on jopa 1000 km / h (noin 600mph). Tällaiset suihkut painavat nestettä korkeassa paineessa hiukkasten välillä ja erottavat ne toisistaan. Pienemmät hiukkaset kiihdytetään nestesuihkujen kanssa ja törmäävät suurilla nopeuksilla. Tämä tekee ultraäänestä tehokkaan keinon dispergointiin, mutta myös Jyrsintä mikronin kokoisia ja alle mikronin kokoisia hiukkasia.
Esimerkiksi nanotimantit (keskikoko noin 4 nm) ja polystyreeni voidaan dispergoida sykloheksaaniin erityisen komposiitin saamiseksi. (2010) ovat valmistaneet polystyreenistä ja nanotimanteista komposiitteja, jotka sisältävät nanotimantteja välillä 0–25 painoprosenttia. Tasaisen saamiseksi hajonta, he sonikoivat liuosta 60 minuutin ajan Hielscherin kanssa UIP1000hd (1kW).

Nanotimanttien ultraäänellä avustettu funktionalisointi

Kunkin nanokokoisen hiukkasen koko pinnan funktionalisoimiseksi hiukkasen pinnan on oltava käytettävissä kemiallista reaktiota varten. Tämä tarkoittaa, että tarvitaan tasainen ja hieno dispersio, koska hyvin dispergoituneita hiukkasia ympäröi hiukkasten pintaan vedettyjen molekyylien rajakerros. Jotta nanotimanttien pinnalle saadaan uusia funktionaalisia ryhmiä, tämä rajakerros on rikottava tai poistettava. Tämä rajakerroksen rikkoutumis- ja poistoprosessi voidaan suorittaa ultraäänellä.
Nesteeseen viety ultraääni tuottaa erilaisia äärimmäisiä vaikutuksia, kuten: kavitaatio, paikallisesti erittäin korkea lämpötila jopa 2000K ja nestemäiset suihkut jopa 1000 km / h. (Suslick 1998) Tällä stressitekijällä vetovoimat (esim. Van-der-Waalsin voimat) voidaan voittaa ja toiminnalliset molekyylit kuljetetaan hiukkasen pinnalle funktionalisoitumaan, esimerkiksi nanotimanttien pintaan.

Kaavio 1: Grafiikka nanotimanttien in situ-deagglomeraatiosta ja pinnan funktionalisoinnista (Liang 2011)

Kokeet helmiavusteisella Sonic Disintegration (BASD) -käsittelyllä ovat osoittaneet lupaavia tuloksia myös nanotimanttien pinnan funcionalisaatiossa. Näin ollen helmiä (esim. mikrokokoisia keraamisia helmiä, kuten ZrO2-helmiä) on käytetty ultraäänen pakottamiseen kavitaatio pakottaa nanotimanttihiukkasiin. Deagglomeraatio johtuu nanotimanttihiukkasten ja ZrO: n välisestä törmäyksestä₂ Helmiä.
Hiukkasten pinnan paremman saatavuuden vuoksi kemiallisissa reaktioissa, kuten Boranin pelkistyksessä, arylaatiossa tai silanisaatiossa, ultraääni- tai BASD (helmiavusteinen äänihajoaminen) esikäsittely dispergointitarkoitukseen on erittäin suositeltavaa. Ultraäänellä Purkamalla ja deagglomeraatio Kemiallinen reaktio voi edetä paljon täydellisemmin.