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.
Nanotiamanttien käsittelyssä käytettävä ultraääni
Nanodiamantit (joita kutsutaan myös nimellä detonation diamonds (DND) tai ultradispersed diamonds (UDD)) ovat hiilen nanomateriaalien erityismuoto, jolle on ominaista ainutlaatuiset ominaisuudet - kuten ristikkorakenne, suuri pinta, ainutlaatuiset optiset ja magneettiset ominaisuudet - ja poikkeukselliset toiminnot. Ultradispersiivisten hiukkasten ominaisuudet tekevät näistä materiaaleista innovatiivisia yhdisteitä, joiden avulla voidaan luoda uusia materiaaleja, joilla on poikkeuksellisia toimintoja. Timanttihiukkasten koko noessa 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, hajoaminen ja tasainen hiukkaskokojakauma väliaineessa ovat olennaisen tärkeitä nanotimanttien onnistuneen hyödyntämisen kannalta.’ ainutlaatuiset ominaisuudet.
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 nanotimantteja (keskikoko noin 4 nm) ja polystyreeniä voidaan dispergoida sykloheksaaniin, jolloin saadaan erityinen komposiitti. Chipara et al. (2010) ovat tutkimuksessaan valmistaneet polystyreenistä ja nanotiamanteista koostuvia komposiitteja, joissa nanotiamantteja on 0-25 painoprosenttia. Tasaisen dispersion saamiseksi he sonikoituivat liuosta 60 minuutin ajan Hielscherin 1000 watin tehokkaalla sonikaattorilla mallia UIP1000hd.
Lue lisää ultraäänellä tapahtuvasta nanodiamanttien hajoamisesta!
Nanotimanttien ultraäänellä avustettu funktionalisointi
Jotta jokaisen nanokokoisen hiukkasen koko pinta voidaan funktionalisoida, hiukkasen pinnan on oltava käytettävissä kemialliselle reaktiolle. Tämä tarkoittaa, että tarvitaan tasainen ja hienojakoinen dispersio, sillä hyvin dispergoituneita hiukkasia ympäröi rajakerros, jossa molekyylit vetävät puoleensa hiukkasen pintaa. Uusien funktionaalisten ryhmien saaminen nanotiilimantteihin’ pintaan, tämä rajakerros on rikottava tai poistettava. Rajakerroksen rikkominen ja poistaminen voidaan suorittaa ultraäänellä.
Nesteeseen viety ultraääni tuottaa erilaisia äärimmäisiä vaikutuksia, kuten: kavitaatio, paikallisesti erittäin korkea lämpötila jopa 2000 K ja nestesuihkut jopa 1000 km/h. (Suslick 1998) Näiden stressitekijöiden avulla vetovoimat (esim. Van-der-Waalsin voimat) voidaan voittaa ja funktionaaliset molekyylit kulkeutuvat hiukkasen pinnalle funktionalisoitaviksi, esim. nanodiamantit.’ pinta.
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 paremman saatavuuden vuoksi’ pintaan, kemiallisten reaktioiden, kuten booraanipelkistyksen, aryloinnin tai silanisoinnin, yhteydessä suositellaan erittäin suositeltava esikäsittely ultraäänellä tai BASD-käsittelyllä (bead-assisted sonic disintegration) dispergointia varten. Ultraäänellä Purkamalla ja deagglomeraatio Kemiallinen reaktio voi edetä paljon täydellisemmin.
Ultraäänikaviataatio johtaa äärimmäisiin lämpötila- ja paine-eroihin ja nopeisiin nestesuihkuihin. Näin ollen tehon ultraääni on onnistunut käsittelymenetelmä sekoitus- ja jyrsintäsovelluksiin.
Ota yhteyttä! / Kysy meiltä!
Kirjallisuus/viitteet
- Khachatryan, A. Kh. et ai.: Ultraäänikavitaation aiheuttama grafiitista timanttiin -transformaatio. Julkaisussa: Diamond & Aiheeseen liittyvät materiaalit 17, 2008; sivut 931-936.
- Galimov, Erik & Kudin, A. & Skorobogatskii, V. & Plotnichenko, V. & Bondarev, O. & Zarubiini, s. & Strazdovskii, V. & Aronin, Aleksandr & Fisenko, A. & Bykov, I. & Barinov, A.. (2004): Timantin synteesin kokeellinen vahvistaminen kavitaatioprosessissa. Dokladyn fysiikka – DOKL PHYS. 49. 150-153.
- Turcheniuk, K., Trecazzi, C., Deeleepojananan, C., & Mochalin, V. N. (2016): Nanotimantin suola-avusteinen ultraäänideaggregaatio. ACS:n soveltamat materiaalit & Liitännät, 8(38), 25461–25468.
- Basma H. Al-Tamimi, Iman I. Jabbar, Haitham M. Al-Tamimi (2919): Nanokiteisen timantin synteesi ja karakterisointi grafiittihiutaleista kavitaatiota edistävän prosessin avulla. Heliyon, osa 5, numero 5. 2019.
- Krueger, A.: Nanomittakaavan timantin rakenne ja reaktiivisuus. julkaisussa: J Mater Chem 18, 2008; s. 1485-1492.
- Liang, Y.: Deagglomerierung und Oberflächenfunktionalisierung von Nanodiamant mittels thermochemischer und mechanochemischer Methoden. Väitöskirja Julius-Maximilian-Universität Würzburg, 2011.
- Osawa, E.: Monodispergoituvat yksittäiset nanotimanttihiukkaset. julkaisussa: Pure Appl Chem 80/7, 2008; s. 1365-1379.
- Pramatarova, L. et ai.: Räjähtävillä nanotimanttihiukkasilla varustettujen polymeerikomposiittien etu lääketieteellisiin sovelluksiin. julkaisussa: Biomimetiikka; s. 298-320.
- Aurinko, L.; Gong, J.; Zhu, D.; Zhu, Z.; He, S.: Timanttinanotangot hiilinanoputkista. Julkaisussa: Advanced Materials 16/2004. s. 1849-1853.
- Suslick, K.S.: Kirk-Othmerin kemian tekniikan tietosanakirja. 4. painos J. Wiley & Pojat: New York; 26, 1998; s. 517-541.
- Chipara, A. C. et ai.: Polystyreeniin dispergoituneiden nanotimanttihiukkasten lämpöominaisuudet. HESTEC 2010.
- El-Say, K. M.: Nanotimantit lääkkeiden annostelujärjestelmänä: sovellus ja mahdollisuus. Julkaisussa J Appl Pharm Sci 01/06, 2011; s. 29-39.
nanotimantit – Käyttö ja sovellukset
Nanotimanttirakeet ovat epävakaita zetapotentiaalinsa vuoksi. Siten niillä on taipumus muodostaa voimakkaasti aggregaatteja. Nanotimanttien yleinen käyttö on käyttö hioma-aineissa, leikkaus- ja kiillotustyökaluissa sekä jäähdytyselementeissä. Toinen mahdollinen käyttötarkoitus on nanotimanttien käyttö farmaseuttisten aktiivisten komponenttien lääkeaineen kantajana (vrt. Ohi ultrasonication, ensinnäkin grafiitista voidaan syntetisoida nanotimantteja ja toiseksi voimakkaasti taajamaan pyrkivät nanotimantit voivat olla tasaisesti Hajallaan nestemäiseen väliaineeseen (esim. kiillotusaineen formuloimiseksi).