Synthèse des Nanodiamonds par Ultrasons

• En raison de leur force de cavitation intense, les ultrasons de puissance sont une technique prometteuse pour produire des diamants de taille micrométrique et nanométrique à partir de graphite.
• Les diamants micro et nanocristallins peuvent être synthétisés par sonification d'une suspension de graphite dans un liquide organique à la pression atmosphérique et à la température ambiante.
• Les ultrasons sont également un outil utile pour le post-traitement des nanodiamants synthétisés, car ils permettent de disperser, de désagglomérer et de fonctionnaliser les nanoparticules de manière très efficace.

Ultrasons pour le traitement des nanodiamants

Les nanodiamants (également appelés diamants de détonation (DND) ou diamants ultradispersés (UDD)) sont une forme particulière de nanomatériaux de carbone qui se distinguent par des caractéristiques uniques, telles que leur résistance à la détonation et leur résistance à l'usure. treillis sa structure, sa grande surfaceainsi que des optique et magnétique Les propriétés des particules ultradispersées en font des composés innovants pour la création de nouveaux matériaux aux fonctions extraordinaires. Les propriétés des particules ultradispersées font de ces matériaux des composés innovants pour la création de nouveaux matériaux aux fonctions extraordinaires. La taille des particules de diamant dans la suie est d'environ 5 nm.

Sous l'effet de forces intenses, telles que la sonication ou la détonation, le graphite peut se transformer en diamant.

Nanodiamants synthétisés par ultrasons

La synthèse des diamants est un domaine de recherche important qui présente des intérêts scientifiques et commerciaux. Le processus couramment utilisé pour la synthèse de particules de diamant microcristallines et nanocristallines est la technique haute pression-haute température (HPHT). Cette méthode permet d'obtenir la pression nécessaire de dizaines de milliers d'atmosphères et des températures de plus de 2000 K pour produire la majeure partie de l'approvisionnement mondial en diamant industriel. La transformation du graphite en diamant nécessite généralement des pressions et des températures élevées, et des catalyseurs sont utilisés pour augmenter le rendement du diamant.
Ces exigences nécessaires à la transformation peuvent être générées de manière très efficace par l'utilisation de ultrasons de haute puissance (= ultrasons de basse fréquence et de haute intensité) :

cavitation ultrasonique

Les ultrasons dans les liquides provoquent localement des effets très extrêmes. Lors de la sonification de liquides à des intensités élevées, les ondes sonores qui se propagent dans le milieu liquide entraînent une alternance de cycles de haute pression (compression) et de basse pression (raréfaction), dont les taux dépendent de la fréquence. Pendant le cycle de basse pression, les ondes ultrasonores de haute intensité créent de petites bulles de vide ou des vides dans le liquide. Lorsque les bulles atteignent un volume tel qu'elles ne peuvent plus absorber d'énergie, elles s'effondrent violemment au cours d'un cycle de haute pression. Ce phénomène est appelé cavitation. Au cours de l'implosion, des températures (environ 5 000 K) et des pressions (environ 2 000 atm) très élevées sont atteintes localement. L'implosion de la bulle de cavitation produit également des jets de liquide dont la vitesse peut atteindre 280 m/s. (Suslick 1998) Il est évident que les micro- et nanocristallin diamants peuvent être synthétisés dans le domaine des ultrasons. cavitation.

Procédure ultrasonique pour la synthèse de nanodiamants

De facto, l'étude de Khachatryan et al. (2008) montre que des microcristaux de diamant peuvent également être synthétisés par ultrasonication d'une suspension de graphite dans un liquide organique à pression atmosphérique et à température ambiante. Comme fluide de cavitation, une formule d'oligomères aromatiques a été choisie en raison de sa faible pression de vapeur saturée et de sa température d'ébullition élevée. Dans ce liquide, la poudre spéciale de graphite pur – avec des particules de 100 à 200 µm - a été mis en suspension. Dans les expériences de Kachatryan et al. le rapport de poids solide-fluide était de 1:6, la densité du fluide de cavitation était de 1,1g cm^-3 à 25°C. L'intensité maximale des ultrasons dans le sonificateur a été de 75-80W cm^-2 correspondant à une amplitude de pression acoustique de 15-16 bars.
On a obtenu une conversion d'environ 10 % du graphite en diamant. Les diamants étaient presque mono-dispersé avec une taille très nette et bien dessinée de l'ordre de 6 ou 9μm ± 0,5μm, avec des cubes, cristallin morphologie et haute pureté.

Images MEB des diamants synthétisés par ultrasons : les images (a) et (b) montrent la série d'échantillons 1, (c) et (d) la série d'échantillons 2. [Khachatryan et al. 2008]

Le coûts de micro- et nanodiamants produits par cette méthode est estimée à compétitif avec le procédé haute pression-haute température (HPHT). Cela fait des ultrasons une alternative innovante pour la synthèse des micro- et nano-diamants (Khachatryan et al. 2008), d'autant plus que le processus de production des nanodiamants peut être optimisé par des recherches plus approfondies. De nombreux paramètres tels que l'amplitude, la pression, la température, le fluide de cavitation et la concentration doivent être examinés avec précision pour découvrir le point idéal de la synthèse de nanodiamants par ultrasons.
Grâce aux résultats obtenus lors de la synthèse des nanodiamants, d'autres produits générés par ultrasons ont été mis au point. cavitation offre la possibilité de synthétiser d'autres composés importants, tels que le nitrure de bore cubique, le nitrure de carbone, etc. (Khachatryan et al. 2008).
En outre, il semble possible de créer des nanofils et des nanorods de diamant à partir de nanotubes de carbone multiparois (MWCNT) sous irradiation ultrasonique. Les nanofils de diamant sont des analogues unidimensionnels du diamant en vrac. En raison de son module élastique élevé, de son rapport résistance/poids et de la relative facilité avec laquelle ses surfaces peuvent être fonctionnalisées, le diamant s'est avéré être le matériau optimal pour les conceptions nanomécaniques. (Sun et al. 2004)

Dispersion ultrasonique de nanodiamants

Comme nous l'avons déjà décrit, la désagglomération et la distribution régulière de la taille des particules dans le milieu sont essentielles pour une exploitation réussie des caractéristiques uniques des nanodiamants.
dispersion et désagglomération par ultrasons sont le résultat de l'action des ultrasons. cavitation. Lors de l'exposition de liquides aux ultrasons, les ondes sonores qui se propagent dans le liquide entraînent une alternance de cycles de haute et de basse pression. Cela exerce une contrainte mécanique sur les forces d'attraction entre les particules individuelles. La cavitation ultrasonique dans les liquides provoque des jets de liquide à grande vitesse, jusqu'à 1000 km/h (environ 600mph). Ces jets pressent le liquide à haute pression entre les particules et les séparent les unes des autres. Les particules plus petites sont accélérées par les jets de liquide et entrent en collision à grande vitesse. Les ultrasons sont donc un moyen efficace pour disperser mais aussi pour séparer les particules. fraisage de particules de taille micrométrique et submicrométrique.
Par exemple, les nanodiamants (taille moyenne d'environ 4 nm) et le polystyrène peuvent être dispersés dans le cyclohexane pour obtenir un composite spécial. Dans leur étude, Chipara et al. (2010) ont préparé des composites de polystyrène et de nanodiamants, contenant des nanodiamants dans une fourchette comprise entre 0 et 25 %. Pour obtenir un dispersionIls ont ensuite soni la solution pendant 60 minutes avec la solution de Hielscher. UIP1000hd (1kW).

Fonctionnalisation de nanodiamants assistée par ultrasons

Pour la fonctionnalisation de la surface complète de chaque particule de taille nanométrique, la surface de la particule doit être disponible pour une réaction chimique. Cela signifie qu'une dispersion fine et régulière est nécessaire, car les particules bien dispersées sont entourées d'une couche limite de molécules attirées par la surface de la particule. Pour ajouter de nouveaux groupes fonctionnels à la surface des nanodiamants, cette couche limite doit être brisée ou enlevée. Ce processus de rupture et d'élimination de la couche limite peut être réalisé par ultrasons.
Les ultrasons introduits dans un liquide génèrent divers effets extrêmes tels que cavitationGrâce à ces facteurs de stress, les forces d'attraction (par exemple les forces de Van-der-Waals) peuvent être surmontées et les molécules fonctionnelles sont transportées vers la surface de la particule pour la fonctionnaliser, par exemple la surface des nanodiamants.

Schéma 1 : Graphique de la désagglomération in situ et de la fonctionnalisation de surface des nanodiamants (Liang 2011)

Des expériences avec le traitement BASD (Bead-Assisted Sonic Disintegration) ont montré des résultats prometteurs pour la fongionalisation de la surface des nanodiamants. Pour ce faire, des billes (par exemple, des billes de céramique de taille microscopique telles que des billes de ZrO2) ont été utilisées pour renforcer la désintégration ultrasonique de la surface des nanodiamants. cavitationnel sur les particules de nanodiamant. La désagglomération se produit en raison de la collision interparticulaire entre les particules de nanodiamant et le ZrO₂ des perles.
En raison de la meilleure disponibilité de la surface des particules, pour les réactions chimiques telles que la réduction Boran, l'arylation ou la silanisation, un prétraitement ultrasonique ou BASD (désintégration sonique assistée par billes) à des fins de dispersion est fortement recommandé. Par ultrasons Dispersion et désagglomération la réaction chimique peut se dérouler de manière beaucoup plus complète.