Ultrazvučna sinteza nanodijamanata
- Zbog svoje intenzivne kavitacijske sile, ultrazvuk je obećavajuća tehnika za proizvodnju dijamanata mikronske i nano veličine od grafita.
- Mikro- i nano-kristalni dijamanti mogu se sintetizirati sonikacijom suspenzije grafita u organskoj tekućini pri atmosferskom tlaku i sobnoj temperaturi.
- Ultrazvuk je također koristan alat za naknadnu obradu sintetiziranih nano dijamanata, jer ultrazvuk vrlo učinkovito raspršuje, deaglomerira i funkcionalizira nano čestice.
Ultrazvuk za liječenje nanodijamantima
Nanodijamanti (koji se nazivaju i detonacijski dijamanti (DND) ili ultradisperzni dijamanti (UDD)) poseban su oblik ugljikovih nanomaterijala koji se odlikuju jedinstvenim karakteristikama – kao što je Rešetka struktura, velika je površinski, kao i jedinstven optički i magnetski svojstva – i izuzetne primjene. Svojstva ultradisperznih čestica čine ove materijale inovativnim spojevima za stvaranje novih materijala s izvanrednim funkcijama. Veličina dijamantnih čestica u čađi je oko 5 nm.
Pod jakim silama, poput sonikacije ili detonacije, grafit se može transformirati u dijamant.
Ultrazvučno sintetizirani nanodijamanti
Sinteza dijamanata važno je istraživačko polje u znanstvenom i komercijalnom interesu. Uobičajeno korišten postupak za sintezu mikrokristalnih i nanokristalnih dijamantnih čestica je tehnika visokog pritiska i visoke temperature (HPHT). Ovom metodom generiraju se potrebni procesni tlakovi od desetaka tisuća atmosfera i temperature veće od 2000 K za proizvodnju glavnog dijela svjetske ponude industrijskog dijamanta. Za transformaciju grafita u dijamant općenito su potrebni visoki pritisci i visoke temperature, a katalizatori se koriste za povećanje prinosa dijamanta.
Ovi zahtjevi potrebni za transformaciju mogu se vrlo učinkovito generirati upotrebom ultrazvuk velike snage (= ultrazvuk niske frekvencije, visokog intenziteta):
ultrazvučna kavitacija
Ultrazvuk u tekućinama uzrokuje lokalno vrlo ekstremne učinke. Prilikom sonikiranja tekućina pri visokim intenzitetima, zvučni valovi koji se šire u tekući medij rezultiraju izmjeničnim ciklusima visokog tlaka (kompresija) i niskog tlaka (razrjeđivanje), s brzinama koje ovise o frekvenciji. Tijekom ciklusa niskog tlaka, ultrazvučni valovi visokog intenziteta stvaraju male vakuumske mjehuriće ili šupljine u tekućini. Kada mjehurići dostignu volumen pri kojem više ne mogu apsorbirati energiju, nasilno se kolabiraju tijekom ciklusa visokog tlaka. Ova pojava se naziva kavitacija. Tijekom implozije lokalno se postižu vrlo visoke temperature (cca. 5000 K) i pritisci (cca. 2000 atm). Implozija kavitacijskog mjehurića također rezultira tekućim mlazovima brzine do 280 m/s. (Suslick 1998) Očito je da mikro- i nano-kristalni dijamanti se mogu sintetizirati u polju ultrazvuka kavitacija.
Ultrazvučni postupak za sintezu nanodijamanata
De facto, studija Khachatryan et al. (2008) pokazuje da se mikrokristali dijamanta također mogu sintetizirati ultrazvučnom obradom suspenzije grafita u organskoj tekućini pri atmosferskom tlaku i sobnoj temperaturi. Kao kavitacijska tekućina odabrana je formula aromatskih oligomera zbog niskog tlaka zasićene pare i visoke temperature vrenja. U ovoj tekućini, poseban čisti grafitni prah – s česticama u rasponu između 100-200 µm – suspendiran je. U eksperimentima Kachatryana i dr., težinski omjer krutina i tekućina bio je 1:6, gustoća kavitacijske tekućine bila je 1,1 g cm-3 na 25°C. Maksimalni ultrazvučni intenzitet u sonoreaktoru bio je 75-80 W cm-2 što odgovara amplitudi zvučnog tlaka od 15-16 bara.
Postignuto je približno 10% pretvorbe grafita u dijamant. Dijamanti su bili skoro mono-disperzni s vrlo oštrom, dobro dizajniranom veličinom u rasponu od 6 ili 9 μm ± 0,5 μm, s kubičnim, kristalan morfologija i visoka čistoća.
SEM slike ultrazvučno sintetiziranih dijamanata: slike (a) i (b) prikazuju seriju uzoraka 1, (c) i (d) seriju uzoraka 2. [Khachatryan et al. 2008]
The troškovi mikro- i nanodijamanata proizvedenih ovom metodom procjenjuje se na natjecateljski s postupkom visokog tlaka i visoke temperature (HPHT). To čini ultrazvuk inovativnom alternativom za sintezu mikro- i nano-dijamanata (Khachatryan et al. 2008.), posebice jer se proces proizvodnje nanodijamanata može optimizirati daljnjim istraživanjima. Mnogi parametri poput amplitude, tlaka, temperature, kavitacijske tekućine i koncentracije moraju se točno ispitati kako bi se otkrila slatka točka ultrazvučne sinteze nanodijamanata.
Po rezultatima postignutim u sintetiziranju nanodijamanata, dalje ultrazvučno generiranih kavitacija nudi potencijal za sintezu drugih važnih spojeva, kao što su kubični borov nitrid, ugljikov nitrid itd. (Khachatryan et al. 2008.)
Nadalje, čini se da je moguće stvoriti dijamantne nanožice i nanošipke iz ugljikovih nanocijevi s više stijenki (MWCNT) pod ultrazvučnim zračenjem. Dijamantne nanožice su jednodimenzionalni analozi skupnog dijamanta. Zbog svog visokog modula elastičnosti, omjera čvrstoće i težine i relativne lakoće kojom se njegove površine mogu funkcionalizirati, utvrđeno je da je dijamant optimalan materijal za nanomehaničke dizajne. (Sun i dr. 2004.)
Ultrazvučno raspršivanje nanodijamanata
Kao što je već opisano, deaglomeracija i ravnomjerna raspodjela veličine čestica u mediju ključni su za uspješno iskorištavanje jedinstvenih karakteristika nanodijamanata.
disperzija i deaglomeracija ultrazvukom su rezultat ultrazvuka kavitacija. Kada se tekućine izlažu ultrazvuku, zvučni valovi koji se šire u tekućinu rezultiraju izmjeničnim ciklusima visokog i niskog tlaka. Ovo primjenjuje mehaničko naprezanje na sile privlačenja između pojedinačnih čestica. Ultrazvučna kavitacija u tekućinama uzrokuje brze mlazove tekućine do 1000 km/h (približno 600 mph). Takvi mlazovi pritišću tekućinu pod visokim tlakom između čestica i odvajaju ih jedne od drugih. Manje čestice se ubrzavaju mlazovima tekućine i sudaraju se velikim brzinama. To čini ultrazvuk učinkovitim sredstvom za raspršivanje, ali i za mljevenje čestica mikronske i submikronske veličine.
Na primjer, nanodijamanti (prosječne veličine oko 4 nm) i polistiren mogu se dispergirati u cikloheksanu kako bi se dobio poseban kompozit. U svojoj studiji Chipara i sur. (2010.) pripremili su kompozite polistirena i nanodijamanata koji sadrže nanodijamante u rasponu između 0 i 25% težine. Da biste dobili jednaku disperzija, sonicirali su otopinu 60 minuta s Hielscherovim UIP1000hd (1kW).
Ultrazvučno potpomognuta funkcionalizacija nanodijamanata
Za funkcionalizaciju kompletne površine svake čestice nano veličine, površina čestice mora biti dostupna za kemijsku reakciju. To znači da je potrebna ravnomjerna i fina disperzija jer su dobro raspršene čestice okružene graničnim slojem molekula koje privlači površina čestice. Da bi se nove funkcionalne skupine dovele do površine nanodijamanata, ovaj granični sloj mora biti prekinut ili uklonjen. Ovaj proces razbijanja i uklanjanja graničnog sloja može se izvesti ultrazvukom.
Ultrazvuk uveden u tekućinu stvara razne ekstremne efekte kao što su kavitacija, lokalno vrlo visoke temperature do 2000 K i mlaz tekućine do 1000 km/h. (Suslick 1998.) Pomoću ovih čimbenika stresa sile privlačenja (npr. Van-der-Waalsove sile) mogu se nadvladati i funkcionalne molekule se prenose na površinu čestice da funkcionaliziraju, npr. površinu nanodijamanata.
Shema 1: Grafik in situ deaglomeracije i površinske funkcionalizacije nanodijamanata (Liang 2011.)
Eksperimenti s tretmanom zvučne dezintegracije potpomognute kuglicama (BASD) pokazali su obećavajuće rezultate i za površinsku funkcionalizaciju nanodijamanata. Zbog toga su kuglice (npr. keramičke kuglice mikro veličine kao što su ZrO2 kuglice) korištene za pojačavanje ultrazvučnog kavitacijski sile na čestice nanodijamanta. Do deaglomeracije dolazi zbog interpartikularnog sudara između čestica nanodijamanta i ZrO2 kuglice.
Zbog bolje dostupnosti površine čestica, za kemijske reakcije kao što su Boranova redukcija, arilacija ili silanizacija, ultrazvučna ili BASD (bead-assisted sonic dezintegration) prethodna obrada u svrhu dispergiranja se visoko preporučuje. Ultrazvučnim putem Raspršivanje i deaglomeracija kemijska reakcija može teći puno potpunije.
Ultrazvučna kavijacija rezultira ekstremnim razlikama temperature i tlaka te brzim mlazovima tekućine. Stoga je moćni ultrazvuk uspješna metoda obrade za aplikacije miješanja i mljevenja.
Kontaktirajte nas! / Pitajte nas!
Literatura/Reference
- Khachatryan, A. Kh. et al.: Transformacija grafita u dijamant inducirana ultrazvučnom kavitacijom. U: Dijamant & Povezani materijali 17, 2008.; str.931-936.
- Galimov, Erik & Kudin, A. & Skorobogatski, V. & Plotničenko, V. & Bondarev, O. & Zarubin, B. & Strazdovski, V. & Aronin, Aleksandr & Fisenko, A. & Bikov, I. & Barinov, A.. (2004): Eksperimentalna potvrda sinteze dijamanta u procesu kavitacije. Doklady Physics – DOKL PHYS. 49. 150-153.
- Turcheniuk, K., Trecazzi, C., Deeleepojananan, C., & Mochalin, VN (2016): Ultrazvučna deagregacija nanodijamanta uz pomoć soli. ACS primijenjeni materijali & Sučelja, 8(38), 25461–25468.
- Basma H. Al-Tamimi, Iman I. Jabbar, Haitham M. Al-Tamimi (2919): Sinteza i karakterizacija nanokristalnog dijamanta iz grafitnih ljuskica putem procesa potaknutog kavitacijom. Heliyon, svezak 5, broj 5. 2019.
- Krueger, A.: Struktura i reaktivnost nanosnog dijamanta. U: J Mater Chem 18, 2008.; str. 1485-1492.
- Liang, Y.: Deagglomerierung und Oberflächenfunktionalisierung von Nanodiamant mittels thermochemischer und mechanochemischer Methoden. Disertacija Julius-Maximilian-Universität Würzburg 2011.
- Osawa, E.: Monodisperzne pojedinačne nanodijamantne čestice. U: Pure Appl Chem 80/7, 2008.; str. 1365-1379.
- Pramatarova, L. et al.: Prednost polimernih kompozita s detonacijskim nanodijamantnim česticama za medicinske primjene. U: O biomimetici; str. 298-320.
- Sun, L.; Gong, J.; Zhu, D.; Zhu, Z.; He, S.: Dijamantne nanošipke iz ugljikovih nanocijevi. U: Napredni materijali 16/2004. str. 1849-1853.
- Suslick, KS: Kirk-Othmerova enciklopedija kemijske tehnologije. 4. izd. J. Wiley & Sinovi: New York; 26, 1998.; str. 517-541.
- Chipara, AC et al.: Toplinska svojstva nanodijamantnih čestica raspršenih u polistirenu. HESTEC 2010.
- El-Say, KM: Nanodijamanti kao sustav za dostavu lijekova: Primjena i perspektiva. U J Appl Pharm Sci 01/06, 2011; 29-39 str.
nanodijamanti – Korištenje i aplikacije
Zrnca nanodijamanta su nestabilna zbog svog zeta-potencijala. Zbog toga su vrlo skloni stvaranju agregata. Uobičajena primjena nanodijamanata je uporaba u abrazivima, alatima za rezanje i poliranje i hladnjakima. Druga potencijalna upotreba je primjena nanodijamanata kao nosača lijekova za farmaceutske aktivne komponente (usp. Pramatarova). Po ultrazvučna obrada, prvo, nanodijamanti se mogu sintetizirati iz grafita, a drugo, nanodijamanti koji imaju jaku tendenciju aglomeracije mogu se ravnomjerno raspršena u tekuće medije (npr. za formuliranje sredstva za poliranje).