Nanodijamanti dispergirani u vodenoj suspenziji sonikacijom

Disperzije nanodijamanata mogu se pripremiti brzo i učinkovito pomoću sonikatora Hielscher. U vodenoj suspenziji ultrazvučna deagregacija osigurava pouzdano razbijanje agregata i stvaranje stabilnih koloida. U kombinaciji s jednostavnim dodavanjem soli za podešavanje pH, ova metoda pruža jednostavan i jeftin pristup bez unošenja onečišćenja. Zahvaljujući skalabilnosti i jednostavnoj provedbi, ultrazvučno dispergiranje iznimno je prikladno ne samo za laboratorijska istraživanja nego i za obradu nanodijamanata u industrijskim razmjerima.

Učinkovita deagregacija nanodijamanata bez onečišćenja

Nanodijamanti se sve više primjenjuju u biomedicini, kvantnim tehnologijama, tribologiji i naprednim kompozitima, no njihova inherentna sklonost stvaranju čvrstih agregata često ograničava učinkovitost. Stoga je dobivanje stabilnih koloida zasebnih čestica preduvjet za preciznu karakterizaciju i pouzdanu primjenu. Konvencionalne metode deagregacije često se oslanjaju na agresivne tehnike mljevenja kojima se unose cirkonijev dioksid ili druge nečistoće, što otežava pročišćavanje i ograničava biomedicinsku primjenu. Ultrazvučno dispergiranje nudi brzu i skalabilnu alternativu bez unošenja onečišćenja. Primjenom akustične kavitacije u vodenim medijima sonikatori sa sondom učinkovito razbijaju agregate na nanodijamante čija je veličina izražena jednoznamenkastim brojem. U kombinaciji s jednostavnim podešavanjem pH uz pomoć soli, ova metoda daje stabilne koloide u širokom rasponu pH bez unošenja toksičnih nusproizvoda, što je čini iznimno privlačnom i za laboratorijska istraživanja i za proizvodnju u industrijskim razmjerima.

Nanodijamanti se mogu učinkovito i pouzdano dispergirati pomoću ultrazvučnih uređaja Hielscher.

Kako funkcioniraju ultrazvučno mljevenje i dispergiranje nanodijamanata?

Pri ultrazvučnom dispergiranju sami se nanodijamanti upotrebljavaju kao sredstva za mljevenje. Akustična kavitacija koju stvaraju ultrazvučni valovi velike snage uzrokuje strujanje tekućine velikom brzinom. Te struje tekućine ubrzavaju čestice (npr. dijamante) u suspenziji tako da se čestice sudaraju brzinama do 280km/s i razbijaju na sićušne čestice nanometarske veličine. To ultrazvučno mljevenje i dispergiranje čini jednostavnom i jeftinom tehnikom bez unošenja onečišćenja, koja pouzdano deaglomerira nanodijamante u čestice nanometarske veličine stabilne u vodenoj koloidnoj otopini u širokom rasponu pH. Sol (natrijev klorid) upotrebljava se za stabilizaciju nanodijamanata u vodenoj suspenziji.

 

 
Saznajte više o ultrazvučnoj deagregaciji nanodijamanata za pripremu uzoraka prije analize!
 

Ultrazvučno mljevenje nanodijamanata nadmašuje mlinove s kuglicama

Ultrazvučni uređaji sa sondom vrlo su učinkoviti mlinovi i predstavljaju etabliranu tehniku mljevenja za proizvodnju velikih količina suspenzija nanodijamanata u industrijskim razmjerima. Budući da ultrazvučni mlinovi koriste nanodijamante kao sredstva za mljevenje, potpuno se izbjegava onečišćenje sredstvima za mljevenje, primjerice kuglicama od cirkonijeva dioksida. Umjesto toga, ultrazvučne kavitacijske sile ubrzavaju čestice tako da se nanodijamanti međusobno snažno sudaraju i usitnjavaju do ujednačene nanometarske veličine. Ti ultrazvučno izazvani sudari među česticama vrlo su učinkovita i pouzdana metoda za proizvodnju ravnomjerno raspodijeljenih nanodisperzija.
Metoda ultrazvučnog dispergiranja i deagregacije koristi dodatke topljive u vodi, netoksične i bez onečišćujućeg djelovanja, poput natrijeva klorida ili saharoze, za regulaciju pH i stabilizaciju ultrazvučne disperzije. Te kristalne strukture natrijeva klorida ili saharoze dodatno djeluju kao sredstva za mljevenje te tako potpomažu postupak ultrazvučnog mljevenja. Nakon završetka postupka mljevenja ti se dodaci mogu lako ukloniti jednostavnim ispiranjem vodom, što je znatna prednost u odnosu na postupak koji koristi keramičke kuglice. Tradicionalno mljevenje kuglicama, primjerice u atritorskim mlinovima, koristi netopljiva keramička sredstva za mljevenje (npr. kugle, kuglice ili perle), čiji ostaci nastali abrazijom onečišćuju konačnu disperziju. Uklanjanje onečišćenja uzrokovanog sredstvima za mljevenje uključuje složenu naknadnu obradu te je dugotrajno i skupo.

Tehnologija ultrazvučnog dispergiranja učinkovito proizvodi vodene suspenzije nanodijamanata s uskom raspodjelom veličine čestica.
(Studija i grafički prikaz: ©Turcheniuk et al., 2016)

Primjer protokola za ultrazvučno dispergiranje nanodijamanata

Ultrazvučna deagregacija nanodijamanata u vodi uz pomoć soli:
Smjesa od 10 g natrijeva klorida i 0,250 g praha nanodijamanata kratko je ručno usitnjena u porculanskom tarioniku tučkom te stavljena u staklenu bočicu od 20 mL zajedno s 5 mL deionizirane vode. Pripremljeni uzorak podvrgnut je sonikaciji ultrazvučnim uređajem sa sondom tijekom 100 min pri 60% izlazne snage i radnom ciklusu od 50%. Nakon sonikacije uzorak je podijeljen na dva jednaka dijela u dvije plastične epruvete za centrifugiranje Falcon od 50 mL i dispergiran u destiliranoj vodi do ukupnog volumena od 100 mL (2 × 50 mL). Svaki je uzorak zatim centrifugiran u centrifugi Eppendorf 5810-R pri 4000 rpm i 25°C tijekom 10 min, a bistri supernatant je odbačen. Vlažni talozi ND-a zatim su ponovno dispergirani u destiliranoj vodi (ukupni volumen 100 mL) i drugi put centrifugirani pri 12.000 rpm i 25 °C tijekom 1 h. Bistri supernatant ponovno je odbačen, a vlažni talozi nanodijamanata ponovno su dispergirani, ovaj put u 5 mL destilirane vode radi karakterizacije. Standardno ispitivanje s AgNO3 pokazalo je potpunu odsutnost Cl⁻ u nanodijamantima ultrazvučno deagregiranima uz pomoć soli i dvaput ispranima destiliranom vodom kako je prethodno opisano. Nakon isparavanja vode iz uzoraka uočeno je stvaranje crnih čvrstih „listića” nanodijamanata uz prinos od ∼200 mg ili 80% početne mase nanodijamanata. (vidjeti sliku u nastavku)
(usp. Turcheniuk et al., 2016)

Osušeni uzorak ultrazvučno dispergiranih nanodijamanata.
(Studija i grafički prikaz: ©Turcheniuk et al., 2016)

Ultrazvučni uređaji visokih performansi za disperzije nanodijamanata

Hielscher Ultrasonics projektira, proizvodi i distribuira visokoučinkovitu opremu za ultrazvučno mljevenje i dispergiranje za zahtjevne primjene kao što je proizvodnja suspenzija nanodijamanata, sredstava za poliranje i nanokompozita. Hielscher ultrazvučni uređaji upotrebljavaju se diljem svijeta za dispergiranje nanomaterijala u vodenim koloidnim suspenzijama, polimerima, smolama, premazima i drugim materijalima visokih performansi.
Hielscher ultrazvučni dispergatori pouzdani su i učinkoviti pri obradi materijala niske do visoke viskoznosti. Ovisno o ulaznim materijalima i ciljanoj konačnoj veličini čestica, intenzitet ultrazvuka može se precizno prilagoditi za optimalne rezultate procesa.
Za obradu viskoznih pasti, nanomaterijala i visokih koncentracija čvrste tvari ultrazvučni dispergator mora moći kontinuirano stvarati visoke amplitude. Industrijski ultrazvučni procesori tvrtke Hielscher Ultrasonics mogu postići vrlo visoke amplitude u kontinuiranom radu pod punim opterećenjem. Amplitude do 200µm lako se mogu održavati pri radu 24/7. Mogućnost rada ultrazvučnog dispergatora pri visokim amplitudama i preciznog podešavanja amplitude nužna je za prilagodbu uvjeta ultrazvučnog procesa radi optimalnog formuliranja nanosuspenzija s visokim udjelom čvrste tvari, polimernih smjesa ojačanih nanomaterijalima i nanokompozita.
Osim amplitude ultrazvuka, tlak je još jedan vrlo važan procesni parametar. Pri povišenim tlakovima povećavaju se intenzitet ultrazvučne kavitacije i njezine smične sile. Hielscher ultrazvučni reaktori mogu se staviti pod tlak, čime se postižu intenzivniji rezultati sonikacije.
Praćenje procesa i bilježenje podataka važni su za kontinuiranu standardizaciju procesa i kvalitetu proizvoda. Priključivi senzori tlaka i temperature povezuju se kabelom s ultrazvučnim generatorom radi praćenja i upravljanja procesom ultrazvučnog dispergiranja. Svi važni parametri obrade, kao što su ultrazvučna energija (neto + ukupna), temperatura, tlak i vrijeme, automatski se bilježe i pohranjuju na ugrađenu SD karticu. Pristupom automatski zabilježenim procesnim podacima možete pregledati prethodne postupke sonikacije i procijeniti rezultate procesa.
Još jedna značajka prilagođena korisniku jest daljinsko upravljanje našim digitalnim ultrazvučnim sustavima putem preglednika. Daljinskim upravljanjem putem preglednika možete s bilo kojeg mjesta pokrenuti, zaustaviti, podesiti i nadzirati svoj ultrazvučni procesor.
Obratite nam se sada kako biste saznali više o našim visokoučinkovitim ultrazvučnim homogenizatorima za mljevenje i nanodispergiranje!
Tablica u nastavku daje vam uvid u približan kapacitet obrade naših ultrazvučnih uređaja: