नैनोडायमंड्स का अल्ट्रासोनिक संश्लेषण

• इसकी तीव्र गुहिकायन बल के कारण, पावर अल्ट्रासाउंड ग्रेफाइट से माइक्रोन- और नैनो आकार के हीरे का उत्पादन करने के लिए एक आशाजनक तकनीक है।
• सूक्ष्म और नैनो-क्रिस्टलीय हीरे को वायुमंडलीय दबाव और कमरे के तापमान पर कार्बनिक तरल में ग्रेफाइट के निलंबन को सोनिकेट करते हुए संश्लेषित किया जा सकता है।
• अल्ट्रासोनिक भी संश्लेषित नैनो हीरे के बाद प्रसंस्करण के लिए एक सहायक उपकरण है, क्योंकि ultrasonication फैलता है, deagglomerates और functionalizes नैनो कणों बहुत प्रभावी।

नैनोडायमंड उपचार के लिए अल्ट्रासोनिक्स

नैनोडायमंड्स (जिसे विस्फोट हीरे (डीएनडी) या अल्ट्राडिस्पर्स्ड हीरे (यूडीडी) भी कहा जाता है) कार्बन नैनोमैटेरियल्स का एक विशेष रूप है जो अद्वितीय विशेषताओं द्वारा प्रतिष्ठित है - जैसे कि इसकी जाली संरचना, इसकी बड़ी सतह, साथ ही अद्वितीय दृष्टि संबंधी और चुंबकीय गुण - और असाधारण अनुप्रयोग। अल्ट्राडिस्पर्स्ड कणों के गुण इन सामग्रियों को असाधारण कार्यों के साथ उपन्यास सामग्री के निर्माण के लिए अभिनव यौगिक बनाते हैं। कालिख में हीरे के कणों का आकार लगभग 5nm है।

तीव्र बलों के तहत, जैसे कि सोनिकेशन या विस्फोट, ग्रेफाइट को हीरे में बदला जा सकता है।

अल्ट्रासोनिक रूप से संश्लेषित नैनोडायमंड्स

हीरे का संश्लेषण वैज्ञानिक और वाणिज्यिक हितों के संबंध में एक महत्वपूर्ण अनुसंधान क्षेत्र है। सूक्ष्म-क्रिस्टलीय और नैनो-क्रिस्टलीय हीरे के कणों के संश्लेषण के लिए आमतौर पर इस्तेमाल की जाने वाली प्रक्रिया उच्च दबाव-उच्च तापमान (एचपीएचटी) तकनीक है। इस पद्धति से, औद्योगिक हीरे की विश्वव्यापी आपूर्ति के मुख्य भाग का उत्पादन करने के लिए हजारों वायुमंडल और 2000K से अधिक के तापमान का आवश्यक प्रक्रिया दबाव उत्पन्न होता है। हीरे में ग्रेफाइट के परिवर्तन के लिए, सामान्य रूप से उच्च दबाव और उच्च तापमान की आवश्यकता होती है, और हीरे की उपज बढ़ाने के लिए उत्प्रेरक का उपयोग किया जाता है।
परिवर्तन के लिए आवश्यक इन आवश्यकताओं को के उपयोग से बहुत कुशलता से उत्पन्न किया जा सकता है हाई पावर अल्ट्रासाउंड (= कम आवृत्ति, उच्च तीव्रता अल्ट्रासाउंड):

अल्ट्रासोनिक cavitation

तरल पदार्थों में अल्ट्रासाउंड स्थानीय रूप से बहुत चरम प्रभाव का कारण बनता है। उच्च तीव्रता पर तरल पदार्थ को सोनिकेट करते समय, ध्वनि तरंगें जो तरल मीडिया में फैलती हैं, आवृत्ति के आधार पर दरों के साथ उच्च दबाव (संपीड़न) और कम दबाव (दुर्लभ) चक्रों को बारी-बारी से करती हैं। कम दबाव चक्र के दौरान, उच्च तीव्रता वाली अल्ट्रासोनिक तरंगें तरल में छोटे वैक्यूम बुलबुले या voids बनाती हैं। जब बुलबुले एक मात्रा प्राप्त करते हैं जिस पर वे अब ऊर्जा को अवशोषित नहीं कर सकते हैं, तो वे उच्च दबाव चक्र के दौरान हिंसक रूप से ढह जाते हैं। इस घटना को कहा जाता है गुहिकायन. विस्फोट के दौरान बहुत अधिक तापमान (लगभग 5,000K) और दबाव (लगभग 2,000atm) स्थानीय रूप से पहुंच जाते हैं। गुहिकायन बुलबुले के विस्फोट के परिणामस्वरूप 280m/s वेग तक के तरल जेट भी होते हैं। (सुस्लिक 1998) यह स्पष्ट है कि सूक्ष्म- और नैनो-क्रिस्टलीय हीरे को अल्ट्रासोनिक के क्षेत्र में संश्लेषित किया जा सकता है गुहिकायन.

नैनोडायमंड्स के संश्लेषण के लिए अल्ट्रासोनिक प्रक्रिया

वास्तव में, खाचत्रियान एट अल (2008) के अध्ययन से पता चलता है कि वायुमंडलीय दबाव और कमरे के तापमान पर कार्बनिक तरल में ग्रेफाइट के निलंबन के अल्ट्रासोनिकेशन द्वारा हीरे के माइक्रोक्रिस्टल को भी संश्लेषित किया जा सकता है। गुहिकायन द्रव के रूप में, सुगंधित ओलिगोमर्स का एक सूत्र इसके कम संतृप्त वाष्प दबाव और इसके उच्च उबलते तापमान के कारण चुना गया है। इस तरल में, विशेष शुद्ध ग्रेफाइट पाउडर – 100-200 माइक्रोन के बीच की सीमा में कणों के साथ - निलंबित कर दिया गया है। Kachatryan एट अल के प्रयोगों में, ठोस-द्रव वजन अनुपात 1: 6 था, गुहिकायन द्रव घनत्व 1.1g सेमी था^-3 25 डिग्री सेल्सियस पर। सोनोरिएक्टर में अधिकतम अल्ट्रासोनिक तीव्रता 75-80W सेमी रही है^-2 15-16 बार के ध्वनि दबाव आयाम के अनुरूप।
यह लगभग 10% ग्रेफाइट-टू-डायमंड रूपांतरण हासिल किया गया है। हीरे लगभग थे मोनो-बिखरा हुआ क्यूबिक के साथ 6 या 9μm ± 0.5μm की सीमा में बहुत तेज, अच्छी तरह से डिज़ाइन किए गए आकार के साथ, क्रिस्‍टलीय आकृति विज्ञान और उच्च शुद्धता.

अल्ट्रासोनिक रूप से संश्लेषित हीरे की एसईएम छवियां: चित्र (ए) और (बी) नमूना श्रृंखला 1, (सी) और (डी) नमूना श्रृंखला 2 दिखाते हैं। [खाचत्रियान एट अल. 2008]

वही लागत इस विधि द्वारा उत्पादित सूक्ष्म और नैनोडायमंड्स की कुल संख्या कितनी होने का अनुमान है? प्रतिस्पर्धात्मक उच्च दबाव-उच्च तापमान (एचपीएचटी) प्रक्रिया के साथ। यह अल्ट्रासाउंड को सूक्ष्म और नैनो-हीरे (खाचत्रियन एट अल 2008) के संश्लेषण के लिए एक अभिनव विकल्प बनाता है, विशेष रूप से नैनोडायमंड्स की उत्पादन प्रक्रिया को आगे की जांच द्वारा अनुकूलित किया जा सकता है। अल्ट्रासोनिक नैनोडायमंड संश्लेषण के मीठे स्थान की खोज के लिए आयाम, दबाव, तापमान, गुहिकायन तरल पदार्थ और एकाग्रता जैसे कई मापदंडों की सटीक जांच की जानी चाहिए।
नैनोडायमंड्स को संश्लेषित करने में प्राप्त परिणामों से, आगे अल्ट्रासोनिक रूप से उत्पन्न गुहिकायन अन्य महत्वपूर्ण यौगिकों के संश्लेषण की क्षमता प्रदान करता है, जैसे कि क्यूबिक बोरॉन नाइट्राइड, कार्बन नाइट्राइड आदि (खाचत्रियन एट अल 2008)
इसके अलावा, अल्ट्रासोनिक विकिरण के तहत बहु-दीवार वाले कार्बन नैनोट्यूब (MWCNTs) से हीरे के नैनोवायर और नैनोरोड्स बनाना संभव प्रतीत होता है। डायमंड नैनोवायर बल्क डायमंड के एक-आयामी एनालॉग हैं। इसके उच्च लोचदार मापांक, शक्ति-से-वजन अनुपात, और सापेक्ष आसानी के कारण जिसके साथ इसकी सतहों को कार्यात्मक बनाया जा सकता है, हीरा नैनोमैकेनिकल डिजाइनों के लिए इष्टतम सामग्री पाया गया है। (सन एट अल 2004)

नैनोडायमंड्स का अल्ट्रासोनिक फैलाव

जैसा कि पहले ही वर्णित है, माध्यम में डीग्लोमरेशन और यहां तक कि कण आकार वितरण नैनोडायमंड्स की अनूठी विशेषताओं के सफल शोषण के लिए आवश्यक हैं।
परिक्षेपण और डीएग्लोमरेशन ultrasonication द्वारा अल्ट्रासोनिक का एक परिणाम है गुहिकायन. अल्ट्रासाउंड के लिए तरल पदार्थ को उजागर करते समय, ध्वनि तरंगें जो तरल में फैलती हैं, परिणामस्वरूप उच्च दबाव और कम दबाव चक्र बारी-बारी से होते हैं। यह व्यक्तिगत कणों के बीच आकर्षित बलों पर यांत्रिक तनाव लागू करता है। तरल पदार्थों में अल्ट्रासोनिक कैविटेशन 1000km/hr (लगभग 600mph) तक की उच्च गति वाले तरल जेट का कारण बनता है। ऐसे जेट कणों के बीच उच्च दबाव पर तरल दबाते हैं और उन्हें एक दूसरे से अलग करते हैं। छोटे कण तरल जेट के साथ त्वरित होते हैं और उच्च गति पर टकराते हैं। यह अल्ट्रासाउंड को फैलाने के लिए एक प्रभावी साधन बनाता है, लेकिन इसके लिए भी निरुद्देश्य घूमना माइक्रोन आकार और उप माइक्रोन आकार के कणों की।
उदाहरण के लिए, नैनोडायमंड्स (लगभग 4nm का औसत आकार) और पॉलीस्टाइनिन को एक विशेष समग्र प्राप्त करने के लिए साइक्लोहेक्सेन में फैलाया जा सकता है। अपने अध्ययन में, चिपरा एट अल (2010) ने पॉलीस्टाइनिन और नैनोडायमंड्स के कंपोजिट तैयार किए हैं, जिसमें 0 से 25% वजन के बीच नैनोडायमंड्स होते हैं। एक सम प्राप्त करने के लिए परिक्षेपण, उन्होंने Hielscher के साथ 60 मिनट के लिए समाधान sonicated यूआईपी1000एचडी (1 किलोवाट)।

Nanodiamonds के Ultrasonically सहायता प्राप्त functionalization

प्रत्येक नैनो आकार के कणों की पूरी सतह के कार्यात्मककरण के लिए, कण की सतह रासायनिक प्रतिक्रिया के लिए उपलब्ध होनी चाहिए। इसका मतलब है कि एक समान और ठीक फैलाव की आवश्यकता होती है क्योंकि अच्छी तरह से फैले हुए कण कण सतह पर आकर्षित अणुओं की एक सीमा परत से घिरे होते हैं। नैनोडायमंड्स की सतह पर नए कार्यात्मक समूहों को प्राप्त करने के लिए, इस सीमा परत को तोड़ना या हटाना होगा। सीमा परत को तोड़ने और हटाने की यह प्रक्रिया अल्ट्रासोनिक्स द्वारा की जा सकती है।
तरल में पेश किया गया अल्ट्रासाउंड विभिन्न चरम प्रभाव उत्पन्न करता है जैसे कि गुहिकायन, स्थानीय रूप से 2000K तक बहुत अधिक तापमान और 1000km/hr तक के तरल जेट। (Suslick 1998) इस तनाव कारकों द्वारा आकर्षित बलों (जैसे वैन-डेर-वाल्स बलों) को दूर किया जा सकता है और कार्यात्मक अणुओं को कार्यात्मक बनाने के लिए कण की सतह पर ले जाया जाता है, जैसे नैनोडायमंड्स की सतह।

योजना 1: नैनोडायमंड्स के सीटू-डीग्लोमरेशन और सतह के कार्यात्मककरण का ग्राफिक (लिआंग 2011)

मनका-सहायता प्राप्त ध्वनि विघटन (बीएएसडी) उपचार के साथ प्रयोगों ने नैनोडायमंड्स की सतह के फंक्शनलाइजेशन के लिए आशाजनक परिणाम दिखाए हैं। इस प्रकार, मोतियों (जैसे सूक्ष्म आकार के सिरेमिक मोती जैसे ZrO2 मोती) का उपयोग अल्ट्रासोनिक को लागू करने के लिए किया गया है गुहिकायन नैनोडायमंड कणों पर बल। नैनोडायमंड कणों और ZrO के बीच अंतर-विशिष्ट टकराव के कारण डीग्लोमरेशन होता है₂ मनका।
कणों की सतह की बेहतर उपलब्धता के कारण, बोरान कमी, आर्यलेशन या साइलानाइजेशन जैसी रासायनिक प्रतिक्रियाओं के लिए, एक अल्ट्रासोनिक या बीएएसडी (मनका-सहायता प्राप्त ध्वनि विघटन) फैलाने के उद्देश्य के लिए पूर्व-उपचार की अत्यधिक अनुशंसा की जाती है। अल्ट्रासोनिक द्वारा फैलाना और डीएग्लोमरेशन रासायनिक प्रतिक्रिया बहुत अधिक पूरी तरह से आगे बढ़ सकती है।