નેનોડાયમંડનું અલ્ટ્રાસોનિક સંશ્લેષણ

ગ્રેફાઇટમાંથી હીરા સુધી: પાવર અલ્ટ્રાસાઉન્ડ ઓરડાના તાપમાને અને વાતાવરણીય દબાણે માઇક્રો અને નેનો સ્ફટિકીય હીરાનું સંશ્લેષણ કરવા માટે એક આશાસ્પદ માર્ગ પૂરો પાડે છે. તીવ્ર ધ્વનિક કેવિટેશન કાર્બનિક પ્રવાહીઓમાં ગ્રેફાઇટના નિલંબનમાં હીરાની રચના શક્ય બનાવે છે. સંશ્લેષણ ઉપરાંત, અલ્ટ્રાસોનિકેશન પરિણામી નેનોડાયમંડના અસરકારક વિખેરણ, તેમના ગૂચ્છોના વિઘટન અને કાર્યાત્મકકરણમાં સહાય કરે છે – આમ તે ઉત્પાદન અને અનુપ્રક્રિયા બંને માટે એક બહુમુખી સાધન બને છે.

નેનોડાયમંડની પ્રક્રિયા માટે અલ્ટ્રાસોનિક્સ

નેનોડાયમંડ (જેને ડિટોનેશન ડાયમંડ (DND) અથવા અલ્ટ્રાડિસ્પર્સ્ડ ડાયમંડ (UDD) પણ કહેવામાં આવે છે) કાર્બન નેનોસામગ્રીનું એક વિશિષ્ટ સ્વરૂપ છે, જે તેની જાલક રચના, વિશાળ સપાટી તથા અનન્ય પ્રકાશીય અને ચુંબકીય ગુણધર્મો જેવી અનન્ય લાક્ષણિકતાઓ – અને અસાધારણ કાર્યક્ષમતાઓને કારણે અલગ તરી આવે છે. અતિસૂક્ષ્મ રીતે વિખેરાયેલા કણોના ગુણધર્મો આ સામગ્રીને અસાધારણ કાર્યો ધરાવતી નવીન સામગ્રી બનાવવા માટેનાં નવીન સંયોજનો બનાવે છે. કાજળમાં રહેલા હીરાના કણોનું કદ આશરે 5nm હોય છે.

અલ્ટ્રાસોનિક રીતે સંશ્લેષિત નેનોડાયમંડ

વૈજ્ઞાનિક અને વ્યાપારી હિતોની દૃષ્ટિએ હીરાનું સંશ્લેષણ એક મહત્વપૂર્ણ સંશોધન ક્ષેત્ર છે. માઇક્રો સ્ફટિકીય અને નેનો સ્ફટિકીય હીરાના કણોના સંશ્લેષણ માટે સામાન્ય રીતે વપરાતી પ્રક્રિયા ઉચ્ચ દબાણ–ઉચ્ચ તાપમાન (HPHT) તકનીક છે. આ પદ્ધતિમાં, ઔદ્યોગિક હીરાના વિશ્વવ્યાપી પુરવઠાનો મુખ્ય હિસ્સો ઉત્પન્ન કરવા માટે જરૂરી દસીઓ હજાર વાતાવરણ જેટલું પ્રક્રિયા દબાણ અને 2000K કરતાં વધુ તાપમાન પેદા કરવામાં આવે છે. ગ્રેફાઇટનું હીરામાં રૂપાંતર કરવા માટે સામાન્ય રીતે ઉચ્ચ દબાણ અને ઉચ્ચ તાપમાન જરૂરી હોય છે, અને હીરાની ઉપજ વધારવા માટે ઉદ્દીપકોનો ઉપયોગ કરવામાં આવે છે.
રૂપાંતર માટે જરૂરી આ પરિસ્થિતિઓ ખૂબ કાર્યક્ષમ રીતે પેદા કરવા માટે ઉચ્ચ શક્તિવાળા અલ્ટ્રાસાઉન્ડ (= ઓછી આવૃત્તિ, ઉચ્ચ તીવ્રતાવાળા અલ્ટ્રાસાઉન્ડ)નો ઉપયોગ કરી શકાય છે:

અલ્ટ્રાસોનિક કેવિટેશન

પ્રવાહીમાં અલ્ટ્રાસાઉન્ડ સ્થાનિક સ્તરે અત્યંત તીવ્ર અસરો પેદા કરે છે. ઊંચી તીવ્રતાએ પ્રવાહીનું સોનિકેશન કરવામાં આવે ત્યારે પ્રવાહી માધ્યમમાં પ્રસરતાં ધ્વનિતરંગો વારાફરતી ઉચ્ચ દબાણ (સંકોચન) અને નીચા દબાણ (વિરલન)નાં ચક્રો પેદા કરે છે, જેમનો દર આવૃત્તિ પર આધાર રાખે છે. નીચા દબાણના ચક્ર દરમિયાન ઉચ્ચ તીવ્રતાવાળા અલ્ટ્રાસોનિક તરંગો પ્રવાહીમાં નાના નિર્વાત પરપોટા અથવા પોલાણો બનાવે છે. જ્યારે પરપોટા એવા આયતન સુધી પહોંચે છે કે જ્યાં તેઓ વધુ ઊર્જા શોષી શકતા નથી, ત્યારે ઉચ્ચ દબાણના ચક્ર દરમિયાન તેઓ પ્રચંડ રીતે અંદરની તરફ ધસી પડીને તૂટી જાય છે. આ ઘટનાને કેવિટેશન કહેવામાં આવે છે. અંદરની તરફ ધસી પડવાની આ ઘટના દરમિયાન સ્થાનિક સ્તરે અત્યંત ઊંચું તાપમાન (આશરે 5,000K) અને દબાણ (આશરે 2,000atm) પ્રાપ્ત થાય છે. કેવિટેશન પરપોટો અંદરની તરફ ધસી પડવાથી 280m/s સુધીના વેગવાળા પ્રવાહી જેટ પણ પેદા થાય છે. (Suslick 1998) તે સ્પષ્ટ છે કે માઇક્રો અને નેનો સ્ફટિકીય હીરાનું સંશ્લેષણ અલ્ટ્રાસોનિક કેવિટેશનના ક્ષેત્રમાં થઈ શકે છે.

આ વિડિયોમાં અમે આપને પર્જ કરી શકાય તેવા કેબિનેટમાં ઇનલાઇન કામગીરી માટેની 2 કિલોવોટની અલ્ટ્રાસોનિક પ્રણાલી દર્શાવીએ છીએ. Hielscher રાસાયણિક ઉદ્યોગ, ઔષધનિર્માણ, સૌંદર્યપ્રસાધન, પેટ્રોકેમિકલ પ્રક્રિયાઓ તથા દ્રાવક આધારિત નિષ્કર્ષણ પ્રક્રિયાઓ સહિત લગભગ તમામ ઉદ્યોગોને અલ્ટ્રાસોનિક ઉપકરણો પૂરાં પાડે છે. પર્જ કરી શકાય તેવું આ સ્ટેનલેસ સ્ટીલ કેબિનેટ જોખમી વિસ્તારોમાં કામગીરી માટે રચાયેલું છે. આ હેતુ માટે, જ્વલનશીલ વાયુઓ અથવા બાષ્પ કેબિનેટમાં પ્રવેશે તે અટકાવવા ગ્રાહક આ સીલબંધ કેબિનેટને નાઇટ્રોજન અથવા તાજી હવાથી પર્જ કરી શકે છે.

નેનોડાયમંડના સંશ્લેષણ માટેની અલ્ટ્રાસોનિક પ્રક્રિયા

વાસ્તવમાં, Khachatryan et al. (2008)નો અભ્યાસ દર્શાવે છે કે વાતાવરણીય દબાણ અને ઓરડાના તાપમાને કાર્બનિક પ્રવાહીમાં ગ્રેફાઇટના નિલંબનનું અલ્ટ્રાસોનિકેશન કરીને પણ હીરાના સૂક્ષ્મસ્ફટિકોનું સંશ્લેષણ કરી શકાય છે. ઓછા સંતૃપ્ત બાષ્પ દબાણ અને ઊંચા ઉત્કલન તાપમાનને કારણે કેવિટેશન પ્રવાહી તરીકે એરોમેટિક ઓલિગોમર્સનું એક મિશ્રણ પસંદ કરવામાં આવ્યું છે. આ પ્રવાહીમાં વિશિષ્ટ શુદ્ધ ગ્રેફાઇટ પાઉડર – જેના કણોનું કદ 100–200 µmની શ્રેણીમાં છે – નિલંબિત કરવામાં આવ્યો છે. Kachatryan et al.ના પ્રયોગોમાં ઘન–પ્રવાહી વજન ગુણોત્તર 1:6 હતો, અને કેવિટેશન પ્રવાહીની ઘનતા 1.1g cm^-3 જેટલી 25°C પર હતી. સોનોરિએક્ટરમાં મહત્તમ અલ્ટ્રાસોનિક તીવ્રતા 75–80W cm^-2 હતી, જે 15–16 barના ધ્વનિ દબાણ કંપવિસ્તારને અનુરૂપ છે.
ગ્રેફાઇટનું હીરામાં આશરે 10% રૂપાંતર પ્રાપ્ત થયું છે. હીરા લગભગ મોનોડિસ્પર્સ્ડ અને 6 અથવા 9μm ± 0.5μmની શ્રેણીમાં અત્યંત સાંકડા, સુનિયોજિત કદવિતરણ સાથે ઘનાકાર, સ્ફટિકીય આકારરચના અને ઉચ્ચ શુદ્ધતા ધરાવતા હતા.

આ ખર્ચ આ પદ્ધતિથી ઉત્પાદિત સૂક્ષ્મ અને નેનો હીરા માટે સ્પર્ધાત્મક હોવાનું અનુમાન ઊંચા દબાણ અને ઊંચા તાપમાન (HPHT)ની પ્રક્રિયાની સરખામણીમાં કરવામાં આવે છે. આથી અલ્ટ્રાસાઉન્ડ સૂક્ષ્મ અને નેનો હીરાના સંશ્લેષણ માટે એક નવીન વિકલ્પ બને છે (Khachatryan et al. 2008), ખાસ કરીને એટલા માટે કે વધુ સંશોધન દ્વારા નેનો હીરાની ઉત્પાદન પ્રક્રિયાને શ્રેષ્ઠ બનાવી શકાય છે. અલ્ટ્રાસોનિક નેનો હીરાના સંશ્લેષણ માટેની શ્રેષ્ઠ પરિસ્થિતિઓ શોધવા કંપનવિસ્તાર, દબાણ, તાપમાન, પોલાણસર્જક પ્રવાહી અને સાંદ્રતા જેવા અનેક પરિમાણોની ચોકસાઈપૂર્વક તપાસ કરવી આવશ્યક છે.
નેનો હીરાના સંશ્લેષણમાં પ્રાપ્ત થયેલાં પરિણામોના આધારે, અલ્ટ્રાસોનિક રીતે સર્જાતું પોલાણ ક્યુબિક બોરોન નાઇટ્રાઇડ, કાર્બન નાઇટ્રાઇડ વગેરે જેવા અન્ય મહત્વપૂર્ણ સંયોજનોના સંશ્લેષણની સંભાવના પણ પૂરી પાડે છે. (Khachatryan et al. 2008)
વધુમાં, અલ્ટ્રાસોનિક વિકિરણ હેઠળ બહુભિત્તીય કાર્બન નેનો ટ્યુબ્સ (MWCNTs)માંથી હીરાના નેનો તાર અને નેનો સળિયા બનાવવાનું શક્ય જણાય છે. હીરાના નેનો તાર સ્થૂળ હીરાના એકપરિમાણીય સમરૂપો છે. હીરાના ઊંચા સ્થિતિસ્થાપકતા માપાંક, મજબૂતાઈ અને વજનના ગુણોત્તર તથા તેની સપાટીઓનું પ્રમાણમાં સરળતાથી કાર્યાત્મક સમૂહીકરણ કરી શકાતું હોવાથી, નેનો યાંત્રિક રચનાઓ માટે હીરો શ્રેષ્ઠ સામગ્રી હોવાનું જણાયું છે. (Sun et al. 2004)

નેનો હીરાનું અલ્ટ્રાસોનિક વિક્ષેપણ

અગાઉ વર્ણવ્યા પ્રમાણે, નેનો હીરાની અનન્ય લાક્ષણિકતાઓનો સફળતાપૂર્વક ઉપયોગ કરવા માટે સમૂહવિઘટન અને માધ્યમમાં કણકદનું સમાન વિતરણ આવશ્યક છે.
વિક્ષેપણ અને સમૂહવિઘટન અલ્ટ્રાસોનિકેશન દ્વારા થાય છે અને તે અલ્ટ્રાસોનિક પોલાણનું પરિણામ છે. પ્રવાહીને અલ્ટ્રાસાઉન્ડના સંપર્કમાં લાવતાં, પ્રવાહીમાં પ્રસરણ પામતા ધ્વનિતરંગો એકાંતરે ઊંચા દબાણ અને નીચા દબાણનાં ચક્રો સર્જે છે. આથી અલગ અલગ કણો વચ્ચેના આકર્ષણબળો પર યાંત્રિક તાણ લાગે છે. પ્રવાહીમાં અલ્ટ્રાસોનિક પોલાણ 1000km/hr (આશરે 600mph) સુધીની ઝડપ ધરાવતા પ્રવાહી જેટ્સ સર્જે છે. આવા જેટ્સ કણો વચ્ચે ઊંચા દબાણે પ્રવાહી ધકેલે છે અને તેમને એકબીજાથી અલગ કરે છે. નાના કણો પ્રવાહી જેટ્સ સાથે પ્રવેગ પામે છે અને ઊંચી ઝડપે અથડાય છે. આથી અલ્ટ્રાસાઉન્ડ વિક્ષેપણ માટે તેમજ  દળણ  માટે પણ માઇક્રોન કદના અને માઇક્રોનથી નાના કદના કણોની પ્રક્રિયામાં અસરકારક સાધન બને છે.
ઉદાહરણ તરીકે, વિશિષ્ટ સંયુક્ત સામગ્રી મેળવવા નેનો હીરા (આશરે 4nmનું સરેરાશ કદ) અને પોલિસ્ટાયરીનને સાયક્લોહેક્સેનમાં વિક્ષેપિત કરી શકાય છે. તેમના અભ્યાસમાં, Chipara et al. (2010)એ પોલિસ્ટાયરીન અને નેનો હીરાની સંયુક્ત સામગ્રીઓ તૈયાર કરી હતી, જેમાં વજન પ્રમાણે 0 અને 25% વચ્ચેની શ્રેણીમાં નેનો હીરા હતા. સમાન વિક્ષેપણ મેળવવા માટે, તેમણે Hielscher ના 1000 watts ક્ષમતાવાળા શક્તિશાળી સોનિકેટર મોડેલ UIP1000hd વડે દ્રાવણનું 60 min સુધી સોનિકેશન કર્યું હતું.
નેનો હીરાના અલ્ટ્રાસોનિક સમૂહવિઘટન વિશે વધુ જાણો!

અલ્ટ્રાસોનિક સહાયથી નેનો હીરાનું કાર્યાત્મક સમૂહીકરણ

દરેક નેનો કદના કણની સંપૂર્ણ સપાટીનું કાર્યાત્મક સમૂહીકરણ કરવા માટે, કણની સપાટી રાસાયણિક પ્રતિક્રિયા માટે ઉપલબ્ધ હોવી આવશ્યક છે. આનો અર્થ એ છે કે સમાન અને સૂક્ષ્મ વિક્ષેપણ જરૂરી છે, કારણ કે સારી રીતે વિક્ષેપિત કણો તેમની સપાટી તરફ આકર્ષાયેલા અણુઓના સીમાસ્તરથી ઘેરાયેલા હોય છે. નેનો હીરાની સપાટી પર નવા કાર્યાત્મક સમૂહો પહોંચાડવા માટે, આ સીમાસ્તરને તોડવું અથવા દૂર કરવું પડે છે. સીમાસ્તરને તોડવાની અને દૂર કરવાની આ પ્રક્રિયા અલ્ટ્રાસોનિક્સ વડે કરી શકાય છે.
પ્રવાહીમાં પ્રવેશાવેલું અલ્ટ્રાસાઉન્ડ વિવિધ અત્યંત તીવ્ર અસરો સર્જે છે, જેમ કે પોલાણ, સ્થાનિક રીતે 2000K સુધીનું અત્યંત ઊંચું તાપમાન અને 1000km/hr સુધીની ઝડપના પ્રવાહી જેટ્સ. (Suslick 1998) આ તાણકારક પરિબળો દ્વારા આકર્ષણબળો (દા.ત. વાન ડર વાલ્સ બળો)ને વટાવી શકાય છે અને કાર્યાત્મક અણુઓને કણની સપાટી પર, દા.ત. નેનો હીરાની સપાટી પર, તેનું કાર્યાત્મક સમૂહીકરણ કરવા માટે પહોંચાડવામાં આવે છે.

મણકાઓની સહાયથી ધ્વનિક વિઘટન (Bead-Assisted Sonic Disintegration, BASD) ઉપચારના પ્રયોગોએ નેનોહીરાની સપાટીના કાર્યાત્મકકરણ માટે પણ આશાસ્પદ પરિણામો દર્શાવ્યાં છે. તેમાં, નેનોહીરાના કણો પર અલ્ટ્રાસોનિક બળોને વધુ અસરકારક બનાવવા માટે મણકાઓનો (દા.ત. ZrO2 મણકાઓ જેવા માઇક્રોન કદના સિરામિક મણકાઓનો) ઉપયોગ કરવામાં આવ્યો છે. આ અલ્ટ્રાસોનિક કેવિટેશનજન્ય બળો નેનોહીરાના કણો પર કાર્ય કરે છે. નેનોહીરાના કણો અને ZrO₂ મણકાઓ વચ્ચે થતી આંતરકણીય અથડામણને કારણે કણોના ગૂંચવાયેલા સમૂહોનું વિઘટન થાય છે.
કણોની સપાટી વધુ સારી રીતે ઉપલબ્ધ થતી હોવાથી, બોરેન દ્વારા અપચય, એરિલીકરણ અથવા સિલેનીકરણ જેવી રાસાયણિક પ્રતિક્રિયાઓ માટે વિખેરવાના હેતુથી અલ્ટ્રાસોનિક અથવા BASD (મણકાઓની સહાયથી ધ્વનિક વિઘટન) પૂર્વઉપચાર કરવાની ભારપૂર્વક ભલામણ કરવામાં આવે છે. અલ્ટ્રાસોનિક વિખેરણ અને કણોના ગૂંચવાયેલા સમૂહોના વિઘટન દ્વારા રાસાયણિક પ્રતિક્રિયા ઘણી વધુ પૂર્ણતાથી આગળ વધી શકે છે.