סינתזה על-קולית של ננו-יהלומים

• בשל הכוח הקוויטציוני האינטנסיבי שלו, אולטרסאונד כוח הוא טכניקה מבטיחה לייצר יהלומים בגודל מיקרון וננו מגרפיט.
• יהלומים מיקרו-וננו-גבישיים ניתנים לסינתזה של תרחיף גרפיט בנוזל אורגני בלחץ אטמוספרי ובטמפרטורת החדר.
• קולי הוא גם כלי מועיל לעיבוד שלאחר עיבוד של יהלומי ננו מסונתזים, כמו ultrasonication מפזר, deagglomerates ומתפקד חלקיקי ננו יעיל מאוד.

אולטרסאונד לטיפול בננו-יהלום

ננו-יהלומים (נקראים גם יהלומי פיצוץ (DND) או יהלומים אולטרה-מפוזרים (UDD)) הם צורה מיוחדת של ננו-חומרים פחמניים הנבדלים זה מזה במאפיינים ייחודיים – כגון סריג מבנה, גודלו משטחכמו גם ייחודי, אופטי ו מגנטי מאפיינים – ויישומים יוצאי דופן. התכונות של חלקיקים אולטרה-מפוזרים הופכות חומרים אלה לתרכובות חדשניות ליצירת חומרים חדשים בעלי פונקציות יוצאות דופן. גודלם של חלקיקי היהלום בפיח הוא כ-5 ננומטר.

תחת כוחות אינטנסיביים, כגון סוניקציה או פיצוץ, גרפיט יכול להפוך ליהלום.

ננו-יהלומים מסונתזים באולטרה-סאונד

סינתזה של יהלומים היא תחום מחקר חשוב הנוגע לאינטרסים מדעיים ומסחריים. התהליך הנפוץ לסינתזה של חלקיקי יהלום מיקרו-גבישיים וננו-גבישיים הוא טכניקת HPHT (High Pressure-High-Temperature). בשיטה זו נוצר לחץ התהליך הנדרש של עשרות אלפי אטמוספרות וטמפרטורות של יותר מ-2000K כדי לייצר את החלק העיקרי של האספקה העולמית של יהלומים תעשייתיים. לצורך הפיכת גרפיט ליהלום, באופן כללי נדרשים לחצים גבוהים וטמפרטורות גבוהות, וזרזים משמשים להגדלת תפוקת היהלום.
דרישות אלה הדרושות לטרנספורמציה יכולות להיווצר ביעילות רבה על ידי שימוש ב אולטרסאונד בעוצמה גבוהה (= תדר נמוך, אולטרסאונד בעוצמה גבוהה):

קוויטציה קולית

אולטרסאונד בנוזלים גורם להשפעות מקומיות קיצוניות מאוד. בעת הסוניק נוזלים בעוצמות גבוהות, גלי הקול המתפשטים לתוך המדיה הנוזלית גורמים לסירוגין למחזורי לחץ גבוה (דחיסה) ולחץ נמוך (rarefaction), עם קצב בהתאם לתדר. במהלך מחזור הלחץ הנמוך, גלים קוליים בעוצמה גבוהה יוצרים בועות ואקום קטנות או חללים בנוזל. כאשר הבועות מגיעות לנפח שבו הן כבר לא יכולות לספוג אנרגיה, הן קורסות באלימות במהלך מחזור לחץ גבוה. תופעה זו מכונה קוויטציה. במהלך הקריסה מגיעים לטמפרטורות גבוהות מאוד (כ-5,000K) וללחצים (כ-2,000ATM) באופן מקומי. קריסת בועת הקוויטציה גורמת גם לסילונים נוזליים במהירות של עד 280 מטר לשנייה. (סוסליק 1998) ברור שמיקרו ו ננו-גבישי יהלומים עשויים להיות מסונתזים בתחום של קולי קוויטציה.

הליך קולי לסינתזה של ננו-יהלומים

דה פקטו, המחקר של Khachatryan et al. (2008) מראה כי מיקרוקריסטלים יהלום יכול להיות מסונתז גם על ידי ultrasonication של השעיה של גרפיט בנוזל אורגני בלחץ אטמוספרי ובטמפרטורת החדר. כנוזל קוויטציה, נבחרה נוסחה של אוליגומרים ארומטיים בשל לחץ האדים הרווי הנמוך שלה וטמפרטורת הרתיחה הגבוהה שלה. בנוזל זה, אבקת גרפיט טהורה מיוחדת – עם חלקיקים בטווח שבין 100-200 מיקרומטר – הושעה. בניסויים של Kachatryan et al., יחס משקל נוזל מוצק היה 1:6, צפיפות נוזל cavitation היה 1.1g ס"מ^-3 ב-25°C. העוצמה העל-קולית המקסימלית בסונורקטור הייתה 75-80W ס"מ^-2 המקביל למשרעת לחץ קול של 15-16 בר.
הוא הושג כ-10% המרה מגרפיט ליהלום. היהלומים היו כמעט מונו-פיזור עם גודל חד מאוד, מעוצב היטב בטווח של 6 או 9μm ± 0.5μm, עם מעוקב, גבישי מורפולוגיה ו טוהר גבוה.

תמונות SEM של יהלומים מסונתזים באולטרה-סאונד: תמונות (a) ו-(b) מציגות את סדרת הדגימות 1, (c) ו-(d) את סדרת הדגימה 2. [Khachatryan et al. 2008]

ה עלויות על פי הערכות, של מיקרו-יהלומים וננו-יהלומים המיוצרים בשיטה זו הם תחרותי עם תהליך לחץ גבוה טמפרטורה גבוהה (HPHT). זה הופך את האולטרסאונד לחלופה חדשנית לסינתזה של מיקרו וננו-יהלומים (Khachatryan et al. 2008), במיוחד כאשר תהליך הייצור של ננו-יהלומים יכול להיות אופטימלי על ידי חקירות נוספות. פרמטרים רבים כגון משרעת, לחץ, טמפרטורה, נוזל קוויטציה וריכוז חייבים להיבחן במדויק כדי לגלות את הנקודה המתוקה של סינתזת ננו-יהלום על-קולית.
על ידי התוצאות שהושגו בסינתזה של ננו-יהלומים, שנוצרו באולטרסאונד נוסף קוויטציה מציע את הפוטנציאל לסינתזה של תרכובות חשובות אחרות, כגון בורון ניטריד מעוקב, פחמן ניטריד וכו '(Khachatryan et al. 2008)
יתר על כן, נראה כי ניתן ליצור ננו-חוטי יהלום וננו-מוטות מננו-צינורות פחמן מרובי דפנות (MWCNTs) תחת קרינה קולית. ננו-חוטי יהלום הם אנלוגים חד-ממדיים של יהלום בתפזורת. בשל המודולוס האלסטי הגבוה שלו, יחס חוזק-משקל, והקלות היחסית שבה ניתן לתפקד בפני השטח שלו, יהלום נמצא כחומר האופטימלי לתכנונים ננומכניים. (Sun et al. 2004)

פיזור קולי של ננו-יהלומים

כפי שכבר תואר, ההתפלגות והתפלגות גודל החלקיקים השווה בתווך הם חיוניים לניצול מוצלח של המאפיינים הייחודיים של ננו-יהלומים.
פיזור ו deagglomeration על ידי ultrasonication הם תוצאה של קולי קוויטציה. בעת חשיפת נוזלים לאולטרסאונד, גלי הקול המתפשטים לתוך הנוזל גורמים לסירוגין למחזורי לחץ גבוה ולחץ נמוך. זה מפעיל לחץ מכני על הכוחות המושכים בין חלקיקים בודדים. קוויטציה על-קולית בנוזלים גורמת לסילוני נוזלים במהירות גבוהה של עד 1000 קמ"ש (כ-600 קמ"ש). סילונים כאלה לוחצים על נוזל בלחץ גבוה בין החלקיקים ומפרידים אותם זה מזה. חלקיקים קטנים יותר מואצים עם סילוני הנוזל ומתנגשים במהירויות גבוהות. זה הופך את האולטרסאונד לאמצעי יעיל לפיזור, אך גם ל כרסום של חלקיקים בגודל מיקרון ותת-מיקרון.
לדוגמה, ננו-יהלומים (גודל ממוצע של כ-4 ננומטר) ופוליסטירן יכולים להיות מפוזרים בציקלוהקסאן כדי לקבל תרכובת מיוחדת. במחקרם, Chipara et al. (2010) הכינו חומרים מרוכבים של פוליסטירן וננו-יהלומים, המכילים ננו-יהלומים בטווח שבין 0 ל-25% משקל. כדי לקבל זוגי פיזורהם הניקו את הפתרון במשך 60 דקות עם זה של היילשר., UIP1000hd (1kW).

פונקציונליות בסיוע אולטרה-סאונד של ננו-יהלומים

לצורך פונקציונליזציה של פני השטח השלמים של כל חלקיק בגודל ננומטרי, פני השטח של החלקיק חייבים להיות זמינים לתגובה כימית. משמעות הדבר היא שנדרש פיזור אחיד ועדין מכיוון שהחלקיקים המפוזרים היטב מוקפים בשכבת גבול של מולקולות הנמשכות לפני השטח של החלקיקים. כדי להביא קבוצות פונקציונליות חדשות לפני השטח של ננו-יהלומים, יש לשבור או להסיר את שכבת הגבול הזו. תהליך זה של שבירה והסרה של שכבת הגבול יכול להתבצע על ידי אולטרסאונד.
אולטרסאונד שהוכנס לנוזל מייצר השפעות קיצוניות שונות כגון: קוויטציהטמפרטורה מקומית גבוהה מאוד עד 2000K וסילונים נוזליים של עד 1000 קמ"ש., (Suslick 1998)., על ידי גורמי לחץ אלה ניתן להתגבר על הכוחות המושכים (למשל כוחות ואן-דר-ואלס) והמולקולות הפונקציונליות נישאות אל פני השטח של החלקיק כדי לתפקד, למשל פני השטח של ננו-יהלומים.,

סכמה 1: גרפיקה של insitu-deagglomeration ופונקציונליות פני השטח של ננו-יהלומים (Liang 2011)

ניסויים עם טיפול BASD (Bead-Assisted Sonic Disintegration - Bead-Assisted Sonic Disintegration - BASD) הראו תוצאות מבטיחות גם עבור פוננסיזציה של פני השטח של ננו-יהלומים. בכך, נעשה שימוש בחרוזים (למשל חרוזי קרמיקה בגודל מיקרו כגון חרוזי ZrO2) כדי לאכוף את האולטרסאונד קוויטציה כוחות על חלקיקי ננו-יהלום. ההתפוגגות מתרחשת עקב ההתנגשות הבין-פרטיקולרית בין חלקיקי הננו-יהלום לבין ה-ZrO₂ חרוזים.
בשל הזמינות הטובה יותר של פני השטח של החלקיקים, עבור תגובות כימיות כגון חיזור בוראן, ארילציה או סילניזציה, מומלץ מאוד טיפול מקדים קולי או BASD (התפרקות קולית בסיוע חרוזים) למטרות פיזור. על ידי ultrasonic פיזור ו deagglomeration התגובה הכימית יכולה להתקדם בצורה הרבה יותר מלאה.