Nanodiamonds ના અલ્ટ્રાસોનિક સંશ્લેષણ

• તેના તીવ્ર કેવિટેશનલ બળને લીધે, પાવર અલ્ટ્રાસાઉન્ડ એ ગ્રેફાઇટમાંથી માઇક્રોન- અને નેનો-કદના હીરા બનાવવાની આશાસ્પદ તકનીક છે.
• સૂક્ષ્મ- અને નેનો-સ્ફટિકીય હીરાને વાતાવરણીય દબાણ અને ઓરડાના તાપમાને કાર્બનિક પ્રવાહીમાં ગ્રેફાઇટના સસ્પેન્શનને સોનિક કરીને સંશ્લેષણ કરી શકાય છે.
• અલ્ટ્રાસોનિક એ સંશ્લેષિત નેનો હીરાની પોસ્ટ-પ્રોસેસિંગ માટે પણ મદદરૂપ સાધન છે, કારણ કે અલ્ટ્રાસોનિકેશન નેનો કણોને વિખેરી નાખે છે, ડિગગ્લોમેરેટ કરે છે અને કાર્યક્ષમ બનાવે છે.

Nanodiamond સારવાર માટે અલ્ટ્રાસોનિક્સ

નેનોડિયામંડ્સ (જેને ડિટોનેશન ડાયમંડ (DND) અથવા અલ્ટ્રાડિસ્પર્સ્ડ ડાયમંડ (UDD) પણ કહેવાય છે) એ કાર્બન નેનોમટેરિયલ્સનું એક વિશિષ્ટ સ્વરૂપ છે જે અનન્ય લાક્ષણિકતાઓ દ્વારા અલગ પડે છે - જેમ કે તેના જાળી માળખું, તે વિશાળ સપાટી, તેમજ અનન્ય ઓપ્ટિકલ અને ચુંબકીય ગુણધર્મો - અને અસાધારણ કાર્યક્રમો. અલ્ટ્રાડિસ્પર્સ્ડ કણોના ગુણધર્મો આ સામગ્રીને અસાધારણ કાર્યો સાથે નવીન સામગ્રીના નિર્માણ માટે નવીન સંયોજનો બનાવે છે. સૂટમાં હીરાના કણોનું કદ લગભગ 5nm છે.

સોનિકેશન અથવા ડિટોનેશન જેવા તીવ્ર દળો હેઠળ, ગ્રેફાઇટને હીરામાં રૂપાંતરિત કરી શકાય છે.

અલ્ટ્રાસોનિકલી સિન્થેસાઇઝ્ડ નેનોડિયામંડ્સ

હીરાનું સંશ્લેષણ એ વૈજ્ઞાનિક અને વ્યાપારી હિતો સંબંધિત એક મહત્વપૂર્ણ સંશોધન ક્ષેત્ર છે. સૂક્ષ્મ-સ્ફટિકીય અને નેનો-સ્ફટિકીય હીરાના કણોના સંશ્લેષણ માટે સામાન્ય રીતે ઉપયોગમાં લેવાતી પ્રક્રિયા ઉચ્ચ દબાણ-ઉચ્ચ-તાપમાન (HPHT) તકનીક છે. આ પદ્ધતિ દ્વારા, ઔદ્યોગિક હીરાના વિશ્વવ્યાપી પુરવઠાના મુખ્ય ભાગનું ઉત્પાદન કરવા માટે હજારો વાતાવરણ અને 2000K કરતા વધુ તાપમાનનું જરૂરી પ્રક્રિયા દબાણ ઉત્પન્ન થાય છે. ગ્રેફાઇટને હીરામાં રૂપાંતરિત કરવા માટે, સામાન્ય રીતે ઉચ્ચ દબાણ અને ઉચ્ચ તાપમાન જરૂરી છે, અને હીરાની ઉપજ વધારવા માટે ઉત્પ્રેરકનો ઉપયોગ કરવામાં આવે છે.
રૂપાંતરણ માટે જરૂરી આ જરૂરિયાતો ખૂબ જ અસરકારક રીતે ઉપયોગ કરીને પેદા કરી શકાય છે ઉચ્ચ શક્તિ અલ્ટ્રાસાઉન્ડ (= ઓછી આવર્તન, ઉચ્ચ તીવ્રતા અલ્ટ્રાસાઉન્ડ):

અલ્ટ્રાસોનિક પોલાણ

પ્રવાહીમાં અલ્ટ્રાસાઉન્ડ સ્થાનિક રીતે અત્યંત આત્યંતિક અસરોનું કારણ બને છે. જ્યારે ઉચ્ચ તીવ્રતા પર પ્રવાહીને સોનિક કરે છે, ત્યારે પ્રવાહી માધ્યમોમાં પ્રચાર કરતા ધ્વનિ તરંગો આવર્તન પર આધારીત દર સાથે, ઉચ્ચ-દબાણ (સંકોચન) અને નીચા-દબાણ (વિરલ) ચક્રમાં પરિણમે છે. લો-પ્રેશર ચક્ર દરમિયાન, ઉચ્ચ-તીવ્રતાવાળા અલ્ટ્રાસોનિક તરંગો પ્રવાહીમાં નાના શૂન્યાવકાશ પરપોટા અથવા ખાલી જગ્યાઓ બનાવે છે. જ્યારે પરપોટા એવા જથ્થાને પ્રાપ્ત કરે છે કે જેના પર તેઓ લાંબા સમય સુધી ઊર્જાને શોષી શકતા નથી, ત્યારે તેઓ ઉચ્ચ દબાણના ચક્ર દરમિયાન હિંસક રીતે તૂટી પડે છે. આ ઘટના કહેવામાં આવે છે પોલાણ. વિસ્ફોટ દરમિયાન ખૂબ ઊંચા તાપમાન (અંદાજે 5,000K) અને દબાણ (અંદાજે 2,000atm) સ્થાનિક સ્તરે પહોંચી જાય છે. પોલાણના બબલના વિસ્ફોટથી 280m/s વેગ સુધીના પ્રવાહી જેટ પણ પરિણમે છે. (Suslick 1998) તે સ્પષ્ટ છે કે માઇક્રો- અને નેનો-સ્ફટિકીય હીરા અલ્ટ્રાસોનિક ક્ષેત્રમાં સંશ્લેષણ કરી શકાય છે પોલાણ.

Nanodiamonds ના સંશ્લેષણ માટે અલ્ટ્રાસોનિક પ્રક્રિયા

હકીકતમાં, ખાચત્ર્યન એટ અલનો અભ્યાસ. (2008) દર્શાવે છે કે વાતાવરણીય દબાણ અને ઓરડાના તાપમાને કાર્બનિક પ્રવાહીમાં ગ્રેફાઇટના સસ્પેન્શનના અલ્ટ્રાસોનિકેશન દ્વારા ડાયમંડ માઇક્રોક્રિસ્ટલ્સનું સંશ્લેષણ પણ કરી શકાય છે. પોલાણ પ્રવાહી તરીકે, તેના નીચા સંતૃપ્ત વરાળના દબાણ અને તેના ઊંચા ઉકળતા તાપમાનને કારણે સુગંધિત ઓલિગોમરનું સૂત્ર પસંદ કરવામાં આવ્યું છે. આ પ્રવાહીમાં, ખાસ શુદ્ધ ગ્રેફાઇટ પાવડર – 100-200 µm વચ્ચેની રેન્જમાં કણો સાથે - સસ્પેન્ડ કરવામાં આવ્યું છે. Kachatryan et al. ના પ્રયોગોમાં, ઘન-પ્રવાહી વજન ગુણોત્તર 1:6 હતો, પોલાણ પ્રવાહીની ઘનતા 1.1g cm હતી.^-3 25°C પર. સોનોરેએક્ટરમાં મહત્તમ અલ્ટ્રાસોનિક તીવ્રતા 75-80W સે.મી^-2 15-16 બારના ધ્વનિ દબાણ કંપનવિસ્તારને અનુરૂપ.
તે લગભગ 10% ગ્રેફાઇટ-થી-હીરા રૂપાંતરણ પ્રાપ્ત કરવામાં આવ્યું છે. હીરા લગભગ હતા મોનો-વિખરાયેલ 6 અથવા 9μm ± 0.5μm ની રેન્જમાં ખૂબ જ તીક્ષ્ણ, સારી રીતે ડિઝાઇન કરેલ કદ સાથે, ઘન સાથે, સ્ફટિકીય મોર્ફોલોજી અને ઉચ્ચ શુદ્ધતા.

અલ્ટ્રાસોનિકલી સિન્થેસાઇઝ્ડ હીરાની SEM છબીઓ: ચિત્રો (a) અને (b) નમૂના શ્રેણી 1, (c) અને (d) નમૂના શ્રેણી 2 બતાવે છે. [ખાચત્ર્યન એટ અલ. 2008]

આ ખર્ચ આ પદ્ધતિ દ્વારા ઉત્પાદિત સૂક્ષ્મ અને નેનોડાયમંડ્સ હોવાનો અંદાજ છે સ્પર્ધાત્મક ઉચ્ચ-દબાણ-ઉચ્ચ-તાપમાન (HPHT) પ્રક્રિયા સાથે. આ અલ્ટ્રાસાઉન્ડને માઇક્રો- અને નેનો-હીરાના સંશ્લેષણ માટે એક નવીન વિકલ્પ બનાવે છે (ખાચત્ર્યન એટ અલ. 2008), ખાસ કરીને કારણ કે નેનોડાયમંડની ઉત્પાદન પ્રક્રિયા વધુ તપાસ દ્વારા ઑપ્ટિમાઇઝ કરી શકાય છે. અલ્ટ્રાસોનિક નેનોડાયમંડ સિન્થેસિસના સ્વીટ સ્પોટને શોધવા માટે કંપનવિસ્તાર, દબાણ, તાપમાન, પોલાણ પ્રવાહી અને સાંદ્રતા જેવા ઘણા પરિમાણોની સચોટ તપાસ કરવી આવશ્યક છે.
nanodiamonds સંશ્લેષણમાં પ્રાપ્ત પરિણામો દ્વારા, વધુ ultrasonically પેદા પોલાણ અન્ય મહત્વપૂર્ણ સંયોજનોના સંશ્લેષણ માટે સંભવિત તક આપે છે, જેમ કે ક્યુબિક બોરોન નાઈટ્રાઈડ, કાર્બન નાઈટ્રાઈડ વગેરે. (ખાચત્ર્યન એટ અલ. 2008)
વધુમાં, અલ્ટ્રાસોનિક ઇરેડિયેશન હેઠળ મલ્ટી-વોલ્ડ કાર્બન નેનોટ્યુબ્સ (MWCNTs) માંથી ડાયમંડ નેનોવાયર અને નેનોરોડ્સ બનાવવાનું શક્ય હોવાનું જણાય છે. ડાયમંડ નેનોવાયર એ બલ્ક હીરાના એક-પરિમાણીય એનાલોગ છે. તેના ઉચ્ચ સ્થિતિસ્થાપક મોડ્યુલસ, સ્ટ્રેન્થ-ટુ-વેટ રેશિયો અને સાપેક્ષ સરળતા કે જેની સાથે તેની સપાટીઓ કાર્યરત થઈ શકે છે તેના કારણે, હીરા નેનોમેકેનિકલ ડિઝાઇન માટે શ્રેષ્ઠ સામગ્રી હોવાનું જણાયું છે. (સન એટ અલ. 2004)

Nanodiamonds ના અલ્ટ્રાસોનિક વિખેરવું

પહેલેથી જ વર્ણવ્યા મુજબ, ડિગગ્લોમેરેશન અને માધ્યમમાં સમાન કણોના કદનું વિતરણ નેનોડાયમંડ્સની અનન્ય લાક્ષણિકતાઓના સફળ શોષણ માટે આવશ્યક છે.
વિક્ષેપ અને ડિગગ્લોમેરેશન અલ્ટ્રાસોનિકેશન દ્વારા અલ્ટ્રાસોનિકનું પરિણામ છે પોલાણ. જ્યારે પ્રવાહીને અલ્ટ્રાસાઉન્ડમાં બહાર કાઢવામાં આવે છે ત્યારે અવાજના તરંગો જે પ્રવાહીમાં પ્રસરે છે તે ઉચ્ચ-દબાણ અને ઓછા-દબાણના ચક્રમાં પરિણમે છે. આ વ્યક્તિગત કણો વચ્ચે આકર્ષિત દળો પર યાંત્રિક તાણ લાગુ કરે છે. પ્રવાહીમાં અલ્ટ્રાસોનિક પોલાણ 1000km/hr (અંદાજે 600mph) સુધીની ઝડપે પ્રવાહી જેટનું કારણ બને છે. આવા જેટ કણો વચ્ચે ઉચ્ચ દબાણ પર પ્રવાહી દબાવે છે અને તેમને એકબીજાથી અલગ કરે છે. નાના કણો પ્રવાહી જેટ સાથે ઝડપી બને છે અને ઊંચી ઝડપે અથડાય છે. આ અલ્ટ્રાસાઉન્ડને વિખેરવા માટે પણ અસરકારક માધ્યમ બનાવે છે પીસવું માઇક્રોન-સાઇઝ અને સબ માઇક્રોન-કદના કણો.
ઉદાહરણ તરીકે, નેનોડાયમંડ્સ (સરેરાશ 4nm નું કદ) અને પોલિસ્ટરીનને સાયક્લોહેક્સેનમાં વિખેરાઈને વિશિષ્ટ સંયોજન મેળવવા માટે કરી શકાય છે. તેમના અભ્યાસમાં, ચિપરા એટ અલ. (2010) પોલિસ્ટાયરીન અને નેનોડાયમન્ડના સંયોજનો તૈયાર કર્યા છે, જેમાં 0 થી 25% વજનની રેન્જમાં નેનોડિયામંડ્સ છે. સમ મેળવવા માટે વિક્ષેપ, તેઓ Hielscher માતાનો સાથે 60 મિનિટ માટે ઉકેલ sonicated UIP1000hd (1kW).

Nanodiamonds ના અલ્ટ્રાસોનિકલી આસિસ્ટેડ ફંક્શનલાઇઝેશન

દરેક નેનો-કદના કણોની સંપૂર્ણ સપાટીના કાર્યાત્મકકરણ માટે, કણોની સપાટી રાસાયણિક પ્રતિક્રિયા માટે ઉપલબ્ધ હોવી આવશ્યક છે. આનો અર્થ એ છે કે એક સમાન અને ઝીણવટપૂર્વક વિખેરવું જરૂરી છે કારણ કે સારી રીતે વિખેરાયેલા કણો કણોની સપાટી તરફ આકર્ષિત પરમાણુઓના સીમા સ્તરથી ઘેરાયેલા છે. નેનોડાયમંડ્સની સપાટી પર નવા કાર્યાત્મક જૂથો મેળવવા માટે, આ સીમા સ્તરને તોડવું અથવા દૂર કરવું પડશે. બાઉન્ડ્રી લેયરને તોડવા અને દૂર કરવાની આ પ્રક્રિયા અલ્ટ્રાસોનિક્સ દ્વારા કરી શકાય છે.
પ્રવાહીમાં રજૂ કરાયેલ અલ્ટ્રાસાઉન્ડ વિવિધ આત્યંતિક અસરો પેદા કરે છે જેમ કે પોલાણ, સ્થાનિક રીતે 2000K સુધીનું ખૂબ ઊંચું તાપમાન અને 1000km/hr સુધીના પ્રવાહી જેટ. (સસલીક 1998) આ તાણના પરિબળો દ્વારા આકર્ષિત દળો (દા.ત. વેન-ડર-વાલ્સ દળો) પર કાબુ મેળવી શકાય છે અને કાર્યાત્મક અણુઓને કાર્યક્ષમ બનાવવા માટે કણની સપાટી પર લઈ જવામાં આવે છે, દા.ત. નેનોડિયામંડની સપાટી.

સ્કીમ 1: ગ્રાફિક ઓફ ધ ઇન સિટુ-ડિગગ્લોમેરેશન અને નેનોડાયમંડ્સની સપાટીના કાર્યાત્મકકરણ (લિયાંગ 2011)

બીડ-આસિસ્ટેડ સોનિક ડિસેન્ટિગ્રેશન (BASD) ટ્રીટમેન્ટ સાથેના પ્રયોગોએ નેનોડાયમંડ્સની સપાટીના કાર્યકારીકરણ માટે પણ આશાસ્પદ પરિણામો દર્શાવ્યા છે. આ રીતે, મણકા (દા.ત. સૂક્ષ્મ કદના સિરામિક મણકા જેમ કે ZrO2 મણકા) નો ઉપયોગ અલ્ટ્રાસોનિકને લાગુ કરવા માટે કરવામાં આવ્યો છે. કેવિટેશનલ નેનોડાયમંડ કણો પર દબાણ કરે છે. નેનોડાયમંડ કણો અને ZrO વચ્ચેના આંતરવિષયક અથડામણને કારણે ડિગગ્લોમેરેશન થાય છે.₂ માળા
કણોની સપાટીની વધુ સારી ઉપલબ્ધતાને કારણે, બોરાન રિડક્શન, એરીલેશન અથવા સિલેનાઇઝેશન જેવી રાસાયણિક પ્રતિક્રિયાઓ માટે, વિખેરવાના હેતુ માટે અલ્ટ્રાસોનિક અથવા BASD (મણકા-આસિસ્ટેડ સોનિક ડિસેન્ટિગ્રેશન) પૂર્વ-સારવારની ખૂબ ભલામણ કરવામાં આવે છે. અલ્ટ્રાસોનિક દ્વારા વિખેરવું અને ડિગગ્લોમેરેશન રાસાયણિક પ્રતિક્રિયા વધુ સંપૂર્ણ રીતે આગળ વધી શકે છે.