नैनोडायमंड का अल्ट्रासोनिक संश्लेषण

ग्रेफाइट से हीरे तक: उच्च शक्ति वाला अल्ट्रासाउंड कमरे के तापमान और वायुमंडलीय दाब पर सूक्ष्म-क्रिस्टलीय और नैनो-क्रिस्टलीय हीरों के संश्लेषण का एक आशाजनक मार्ग प्रदान करता है। तीव्र ध्वनिक कैविटेशन कार्बनिक द्रवों में ग्रेफाइट के निलंबनों में हीरों का निर्माण संभव बनाता है। संश्लेषण के अलावा, अल्ट्रासोनिकेशन परिणामी नैनोडायमंड के प्रभावी परिक्षेपण, विगुच्छन और प्रकार्यात्मककरण में सहायक होता है – जिससे यह उत्पादन और पश्च-प्रसंस्करण दोनों के लिए एक बहुमुखी साधन बन जाता है।

नैनोडायमंड प्रसंस्करण के लिए अल्ट्रासोनिक्स

नैनोडायमंड (जिन्हें विस्फोटजनित हीरे (DND) या अतिपरिक्षिप्त हीरे (UDD) भी कहा जाता है) कार्बन नैनोपदार्थों का एक विशेष रूप हैं, जो अद्वितीय विशेषताओं – जैसे उनकी जालक संरचना, उनका बड़ा पृष्ठीय क्षेत्रफल तथा अद्वितीय प्रकाशीय और चुंबकीय गुणों – और असाधारण प्रकार्यात्मकताओं से विशिष्ट होते हैं। अतिपरिक्षिप्त कणों के गुण इन पदार्थों को असाधारण कार्यों वाले नए पदार्थों के निर्माण के लिए अभिनव यौगिक बनाते हैं। कालिख में हीरे के कणों का आकार लगभग 5nm होता है।

सोनिकेशन या विस्फोट जैसे तीव्र बलों के प्रभाव में ग्रेफाइट को हीरे में रूपांतरित किया जा सकता है।

अल्ट्रासोनिक विधि से संश्लेषित नैनोडायमंड

वैज्ञानिक और व्यावसायिक हितों की दृष्टि से हीरों का संश्लेषण अनुसंधान का एक महत्वपूर्ण क्षेत्र है। सूक्ष्म-क्रिस्टलीय और नैनो-क्रिस्टलीय हीरे के कणों के संश्लेषण के लिए सामान्यतः उच्च-दाब-उच्च-तापमान (HPHT) तकनीक का उपयोग किया जाता है। इस विधि में औद्योगिक हीरे की विश्वव्यापी आपूर्ति का अधिकांश भाग तैयार करने के लिए आवश्यक कई दसियों हज़ार वायुमंडल का प्रक्रिया दाब और 2000K से अधिक तापमान उत्पन्न किए जाते हैं। ग्रेफाइट को हीरे में रूपांतरित करने के लिए सामान्यतः उच्च दाब और उच्च तापमान की आवश्यकता होती है, और हीरे की उपज बढ़ाने के लिए उत्प्रेरकों का उपयोग किया जाता है।
रूपांतरण के लिए आवश्यक इन परिस्थितियों को अत्यंत कुशलता से उत्पन्न करने के लिए उच्च शक्ति वाले अल्ट्रासाउंड (= कम आवृत्ति, उच्च तीव्रता वाला अल्ट्रासाउंड) का उपयोग किया जा सकता है:

अल्ट्रासोनिक कैविटेशन

द्रवों में अल्ट्रासाउंड स्थानीय स्तर पर अत्यंत प्रबल प्रभाव उत्पन्न करता है। उच्च तीव्रता पर द्रवों का सोनिकेशन करते समय, द्रव माध्यमों में संचरित होने वाली ध्वनि तरंगें बारी-बारी से उच्च-दाब (संपीड़न) और निम्न-दाब (विरलन) चक्र उत्पन्न करती हैं, जिनकी दरें आवृत्ति पर निर्भर करती हैं। निम्न-दाब चक्र के दौरान, उच्च तीव्रता वाली अल्ट्रासोनिक तरंगें द्रव में छोटे निर्वात बुलबुले या रिक्तियाँ बनाती हैं। जब बुलबुले ऐसे आयतन तक पहुँच जाते हैं जहाँ वे और ऊर्जा अवशोषित नहीं कर सकते, तो वे उच्च-दाब चक्र के दौरान तीव्रता से ध्वस्त हो जाते हैं। इस परिघटना को कैविटेशन कहा जाता है। अंतःस्फोट के दौरान स्थानीय स्तर पर बहुत उच्च तापमान (लगभग 5,000K) और दाब (लगभग 2,000atm) उत्पन्न होते हैं। कैविटेशन बुलबुले के अंतःस्फोट से 280m/s तक के वेग वाले द्रव जेट भी उत्पन्न होते हैं। (Suslick 1998) यह स्पष्ट है कि सूक्ष्म-क्रिस्टलीय और नैनो-क्रिस्टलीय हीरों का संश्लेषण अल्ट्रासोनिक कैविटेशन के क्षेत्र में किया जा सकता है.

नैनोडायमंड के संश्लेषण की अल्ट्रासोनिक प्रक्रिया

वास्तव में, Khachatryan et al. (2008) का अध्ययन दर्शाता है कि वायुमंडलीय दाब और कमरे के तापमान पर कार्बनिक द्रव में ग्रेफाइट के निलंबन का अल्ट्रासोनिकेशन करके भी हीरे के सूक्ष्मक्रिस्टलों का संश्लेषण किया जा सकता है। कैविटेशन द्रव के रूप में ऐरोमैटिक ओलिगोमरों का एक मिश्रण चुना गया, क्योंकि उसका संतृप्त वाष्प दाब कम और क्वथन तापमान उच्च है। इस द्रव में विशेष शुद्ध ग्रेफाइट पाउडर – जिसके कणों का आकार 100–200 µm की सीमा में है – निलंबित किया गया। Kachatryan et al. के प्रयोगों में ठोस-द्रव भार अनुपात 1:6 था, और कैविटेशन द्रव का घनत्व 1.1g cm^-3 था, जिसे 25°C पर मापा गया था। सोनोरीएक्टर में अधिकतम अल्ट्रासोनिक तीव्रता 75–80W cm^-2 थी, जो 15–16 bar के ध्वनि दाब आयाम के अनुरूप थी।
ग्रेफाइट का हीरे में लगभग 10% रूपांतरण प्राप्त किया गया। हीरे लगभग एकविक्षेपित थे और उनका आकार-वितरण 6 या 9μm ± 0.5μm की सीमा में अत्यंत संकीर्ण तथा सुव्यवस्थित था, साथ ही उनकी घनीय, क्रिस्टलीय आकृति और उच्च शुद्धता थी.

अल्ट्रासोनिक रूप से संश्लेषित हीरों की SEM छवियाँ: चित्र (a) और (b) नमूना शृंखला 1 को तथा (c) और (d) नमूना शृंखला 2 को दर्शाते हैं। [Khachatryan et al. 2008]

इस विधि से उत्पादित सूक्ष्म- और नैनोहीरों की लागत के उच्च-दाब-उच्च-तापमान (HPHT) प्रक्रिया की तुलना में प्रतिस्पर्धी होने का अनुमान है। इससे अल्ट्रासाउंड सूक्ष्म- और नैनोहीरों के संश्लेषण के लिए एक अभिनव विकल्प बन जाता है (Khachatryan et al. 2008), विशेष रूप से इसलिए कि आगे के अनुसंधान से नैनोहीरों की उत्पादन प्रक्रिया को अनुकूलित किया जा सकता है। अल्ट्रासोनिक नैनोहीरा संश्लेषण की सर्वोत्तम कार्यस्थितियाँ निर्धारित करने के लिए आयाम, दाब, तापमान, कैविटेशन द्रव और सांद्रता जैसे अनेक प्राचलों की सटीक जाँच आवश्यक है।
नैनोहीरों के संश्लेषण में प्राप्त परिणामों के आधार पर, अल्ट्रासोनिक रूप से उत्पन्न कैविटेशन घनीय बोरॉन नाइट्राइड, कार्बन नाइट्राइड आदि जैसे अन्य महत्वपूर्ण यौगिकों के संश्लेषण की संभावना भी प्रदान करता है। (Khachatryan et al. 2008)
इसके अतिरिक्त, ऐसा प्रतीत होता है कि अल्ट्रासोनिक विकिरण के अंतर्गत बहु-भित्तीय कार्बन नैनोट्यूबों (MWCNTs) से हीरे के नैनोतार और नैनोछड़ें बनाना संभव है। हीरे के नैनोतार स्थूल हीरे के एक-आयामी समरूप हैं। अपने उच्च प्रत्यास्थता मापांक, सामर्थ्य-से-भार अनुपात और अपनी सतहों के अपेक्षाकृत आसानी से क्रियात्मक बनाए जा सकने के कारण, हीरा नैनोयांत्रिक डिज़ाइनों के लिए सर्वोत्तम पदार्थ पाया गया है। (Sun et al. 2004)

नैनोहीरों का अल्ट्रासोनिक परिक्षेपण

जैसा कि पहले बताया गया है, नैनोहीरों की विशिष्ट विशेषताओं का सफलतापूर्वक उपयोग करने के लिए माध्यम में विगुच्छन और कण आकार का एकसमान वितरण आवश्यक हैं।
अल्ट्रासोनिकेशन द्वारा परिक्षेपण और विगुच्छन अल्ट्रासोनिक कैविटेशन का परिणाम हैं। जब द्रवों को अल्ट्रासाउंड के संपर्क में लाया जाता है, तो द्रव में संचरित होने वाली ध्वनि तरंगें बारी-बारी से उच्च-दाब और निम्न-दाब चक्र उत्पन्न करती हैं। इससे अलग-अलग कणों के बीच आकर्षण बलों पर यांत्रिक तनाव पड़ता है। द्रवों में अल्ट्रासोनिक कैविटेशन से 1000km/hr (लगभग 600mph) तक की गति वाले द्रव जेट उत्पन्न होते हैं। ऐसे जेट उच्च दाब पर द्रव को कणों के बीच धकेलते हैं और उन्हें एक-दूसरे से अलग करते हैं। छोटे कण द्रव जेटों के साथ त्वरित होते हैं और उच्च गति से टकराते हैं। इससे अल्ट्रासाउंड माइक्रोन और उप-माइक्रोन आकार के कणों के परिक्षेपण के साथ-साथ उनकी पिसाई के लिए भी एक प्रभावी साधन बन जाता है।
उदाहरण के लिए, एक विशेष सम्मिश्र पदार्थ प्राप्त करने के लिए नैनोहीरों (लगभग 4nm के औसत आकार वाले) और पॉलीस्टाइरीन को साइक्लोहेक्सेन में परिक्षेपित किया जा सकता है। अपने अध्ययन में, Chipara et al. (2010) ने पॉलीस्टाइरीन और नैनोहीरों के सम्मिश्र पदार्थ तैयार किए, जिनमें भार के आधार पर 0 से 25% तक नैनोहीरे थे। एकसमान परिक्षेपण प्राप्त करने के लिए उन्होंने Hielscher के शक्तिशाली 1000 वाट सोनिकेटर मॉडल UIP1000hd से विलयन का 60 min तक सोनिकेशन किया।
अल्ट्रासोनिक विधि से नैनोहीरों के समुच्चय-विघटन के बारे में अधिक जानें!

अल्ट्रासोनिक सहायता से नैनोहीरों का क्रियात्मकीकरण

प्रत्येक नैनो-आकार के कण की पूरी सतह के क्रियात्मकीकरण के लिए, कण की सतह रासायनिक अभिक्रिया के लिए उपलब्ध होनी चाहिए। इसका अर्थ है कि एकसमान और महीन परिक्षेपण आवश्यक है, क्योंकि अच्छी तरह परिक्षेपित कण उन अणुओं की सीमा परत से घिरे होते हैं जो कण की सतह की ओर आकर्षित होते हैं। नैनोहीरों की सतह तक नए क्रियात्मक समूह पहुँचाने के लिए इस सीमा परत को तोड़ना या हटाना आवश्यक है। सीमा परत को तोड़ने और हटाने की यह प्रक्रिया अल्ट्रासोनिक विधि से की जा सकती है।
द्रव में प्रविष्ट कराया गया अल्ट्रासाउंड विभिन्न चरम प्रभाव उत्पन्न करता है, जैसे कैविटेशन, स्थानीय रूप से 2000K तक का अत्यधिक उच्च तापमान और 1000km/hr तक की गति वाले द्रव जेट। (Suslick 1998) इन तनाव कारकों से आकर्षण बलों (जैसे वान डर वाल्स बलों) पर काबू पाया जा सकता है और क्रियात्मक अणुओं को कण की सतह तक पहुँचाया जाता है, ताकि, उदाहरण के लिए, नैनोहीरों की सतह का क्रियात्मकीकरण किया जा सके।

योजना 1: नैनोहीरों के यथास्थान विगुच्छन और सतही क्रियात्मकीकरण का आरेख (Liang 2011)

बीड-सहायित ध्वनिक विघटन (BASD) उपचार के प्रयोगों ने नैनोडायमंड के सतही कार्यात्मककरण के लिए भी आशाजनक परिणाम दिखाए हैं। इसमें बीड्स (जैसे ZrO2 बीड्स जैसे सूक्ष्म आकार के सिरेमिक बीड्स) का उपयोग नैनोडायमंड कणों पर अल्ट्रासोनिक कैविटेशन बलों के प्रभाव को बढ़ाने के लिए किया गया है। विसमूहन नैनोडायमंड कणों और ZrO₂ बीड्स के बीच अंतरकणीय टक्करों के कारण होता है।
कणों की सतह की बेहतर उपलब्धता के कारण, बोरान द्वारा अपचयन, एरिलीकरण या सिलानीकरण जैसी रासायनिक अभिक्रियाओं के लिए परिक्षेपण के उद्देश्य से अल्ट्रासोनिक या BASD (बीड-सहायित ध्वनिक विघटन) पूर्व-उपचार की पुरज़ोर अनुशंसा की जाती है। अल्ट्रासोनिक परिक्षेपण और विसमूहन से रासायनिक अभिक्रिया कहीं अधिक पूर्णता से आगे बढ़ सकती है।