Ultrazvučna sinteza nanodijamanata

Od grafita do dijamanta: ultrazvuk velike snage nudi obećavajući put za sintezu mikrokristalnih i nanokristalnih dijamanata pri sobnoj temperaturi i atmosferskom tlaku. Intenzivna akustična kavitacija omogućuje nastanak dijamanata u suspenzijama grafita u organskim tekućinama. Osim sinteze, ultrazvučna obrada omogućuje učinkovito dispergiranje, deaglomeraciju i funkcionalizaciju nastalih nanodijamanata – što je čini svestranim alatom za proizvodnju i naknadnu obradu.

Ultrazvuk za obradu nanodijamanata

Nanodijamanti (koji se nazivaju i detonacijski dijamanti (DND) ili ultradispergirani dijamanti (UDD)) poseban su oblik ugljikovih nanomaterijala koji se odlikuje jedinstvenim značajkama – poput strukture kristalne rešetke, velike površine te jedinstvenih optičkih i magnetskih svojstava – i iznimnim funkcionalnostima. Svojstva ultradispergiranih čestica čine te materijale inovativnim spojevima za stvaranje novih materijala s izvanrednim funkcijama. Veličina čestica dijamanta u čađi iznosi oko 5nm.

Pod djelovanjem intenzivnih sila, kao pri sonikaciji ili detonaciji, grafit se može pretvoriti u dijamant.

Ultrazvučno sintetizirani nanodijamanti

Sinteza dijamanata važno je područje istraživanja sa znanstvenog i komercijalnog stajališta. Postupak koji se uobičajeno primjenjuje za sintezu mikrokristalnih i nanokristalnih čestica dijamanta jest tehnika visokog tlaka i visoke temperature (HPHT). Tom se metodom stvaraju potrebni procesni tlakovi od više desetaka tisuća atmosfera i temperature više od 2000K kako bi se proizveo najveći dio svjetske količine industrijskog dijamanta. Za pretvorbu grafita u dijamant općenito su potrebni visoki tlakovi i visoke temperature, a katalizatori se upotrebljavaju za povećanje prinosa dijamanta.
Uvjeti potrebni za pretvorbu mogu se vrlo učinkovito stvoriti primjenom ultrazvuka velike snage (= ultrazvuka niske frekvencije i visokog intenziteta):

Ultrazvučna kavitacija

Ultrazvuk u tekućinama lokalno uzrokuje vrlo ekstremne učinke. Pri sonikaciji tekućina visokim intenzitetima zvučni valovi koji se šire kroz tekući medij uzrokuju naizmjenične cikluse visokog tlaka (kompresije) i niskog tlaka (razrjeđenja), čija brzina izmjenjivanja ovisi o frekvenciji. Tijekom ciklusa niskog tlaka ultrazvučni valovi visokog intenziteta stvaraju male vakuumske mjehuriće ili šupljine u tekućini. Kada mjehurići dosegnu volumen pri kojem više ne mogu apsorbirati energiju, silovito kolabiraju tijekom ciklusa visokog tlaka. Ta se pojava naziva kavitacijom. Tijekom implozije lokalno se postižu vrlo visoke temperature (približno 5.000K) i tlakovi (približno 2.000atm). Implozija kavitacijskog mjehurića također stvara mlazove tekućine brzine do 280m/s. (Suslick 1998) Očito je da se mikrokristalni i nanokristalni dijamanti mogu sintetizirati u polju ultrazvučne kavitacije.

U ovom videozapisu prikazujemo ultrazvučni sustav od 2 kilovata za protočni rad u ormaru s ispiranjem plinom. Hielscher isporučuje ultrazvučnu opremu za gotovo sve industrijske grane, poput kemijske, farmaceutske i kozmetičke industrije, petrokemijskih procesa te procesa ekstrakcije otapalima. Ovaj ormar od nehrđajućeg čelika s ispiranjem plinom namijenjen je radu u eksplozivno ugroženim prostorima. U tu svrhu korisnik može ispirati zabrtvljeni ormar dušikom ili svježim zrakom kako bi spriječio ulazak zapaljivih plinova ili para u ormar.

Ultrazvučni postupak sinteze nanodijamanata

Zapravo, istraživanje Khachatryana i sur. (2008) pokazuje da se mikrokristali dijamanta mogu sintetizirati i ultrazvučnom obradom suspenzije grafita u organskoj tekućini pri atmosferskom tlaku i sobnoj temperaturi. Kao kavitacijska tekućina odabrana je formulacija aromatskih oligomera zbog niskog tlaka zasićene pare i visoke temperature vrelišta. U toj je tekućini suspendiran poseban čisti grafitni prah – s česticama u rasponu od 100–200 µm. U pokusima Kachatryana i sur. maseni omjer čvrste tvari i tekućine iznosio je 1:6, a gustoća kavitacijske tekućine iznosila je 1,1g cm^-3 pri 25°C. Maksimalni intenzitet ultrazvuka u sonoreaktoru iznosio je 75–80W cm^-2 , što odgovara amplitudi zvučnog tlaka od 15–16 bar.
Postignuta je pretvorba grafita u dijamant od približno 10%. Dijamanti su bili gotovo monodisperzni s vrlo uskom, dobro podešenom raspodjelom veličine u rasponu od 6 ili 9μm ± 0,5μm, s kubičnom, kristalnom morfologijom i visokom čistoćom.

Ultrazvučno sintetizirani dijamanti (SEM snimke): ultrazvuk velike snage osigurava energiju potrebnu za poticanje sinteze nanodijamanata

SEM snimke ultrazvučno sintetiziranih dijamanata: slike (a) i (b) prikazuju seriju uzoraka 1, a (c) i (d) seriju uzoraka 2. [Khachatryan et al. 2008]

Procjenjuje se da su troškovi mikrodijamanata i nanodijamanata proizvedenih ovom metodom konkurentni troškovima postupka pri visokom tlaku i visokoj temperaturi (HPHT). To čini ultrazvuk inovativnom alternativom za sintezu mikrodijamanata i nanodijamanata (Khachatryan et al. 2008), osobito zato što se proces proizvodnje nanodijamanata može optimizirati daljnjim istraživanjima. Mnogi parametri, poput amplitude, tlaka, temperature, kavitacijske tekućine i koncentracije, moraju se precizno ispitati kako bi se pronašli optimalni uvjeti za ultrazvučnu sintezu nanodijamanata.
Na temelju rezultata postignutih u sintezi nanodijamanata, ultrazvučno generirana kavitacija nadalje pruža potencijal za sintezu drugih važnih spojeva, poput kubičnog borova nitrida, ugljikova nitrida itd. (Khachatryan et al. 2008)
Nadalje, čini se da je moguće stvoriti dijamantne nanožice i nanoštapiće iz višestijenih ugljikovih nanocijevi (MWCNTs) pod djelovanjem ultrazvučnog zračenja. Dijamantne nanožice jednodimenzijski su analozi masivnog dijamanta. Zbog visokog modula elastičnosti, omjera čvrstoće i težine te relativne lakoće funkcionalizacije njegovih površina, dijamant se pokazao optimalnim materijalom za nanomehaničke konstrukcije. (Sun et al. 2004)

Ultrazvučno dispergiranje nanodijamanata

Kao što je već opisano, deaglomeracija i ravnomjerna raspodjela veličine čestica u mediju ključne su za uspješno iskorištavanje jedinstvenih svojstava nanodijamanata.
Dispergiranje i deaglomeracija sonikacijom rezultat su ultrazvučne kavitacije. Pri izlaganju tekućina ultrazvuku zvučni valovi koji se šire kroz tekućinu uzrokuju izmjenične cikluse visokog i niskog tlaka. Time se privlačne sile između pojedinačnih čestica izlažu mehaničkom naprezanju. Ultrazvučna kavitacija u tekućinama uzrokuje mlazove tekućine velikih brzina do 1000km/hr (približno 600mph). Takvi mlazovi potiskuju tekućinu pod visokim tlakom između čestica i međusobno ih razdvajaju. Manje čestice ubrzavaju se mlazovima tekućine i sudaraju pri velikim brzinama. To čini ultrazvuk učinkovitim sredstvom za dispergiranje, ali i za mljevenje čestica mikrometarske i submikrometarske veličine.
Primjerice, nanodijamanti (prosječne veličine oko 4nm) i polistiren mogu se dispergirati u cikloheksanu kako bi se dobio poseban kompozit. U svojem istraživanju Chipara et al. (2010) pripremili su kompozite polistirena i nanodijamanata s masenim udjelom nanodijamanata između 0 i 25%. Kako bi dobili ravnomjernu disperziju, sonicirali su otopinu tijekom 60 min snažnim sonikatorom Hielscher, modelom UIP1000hd snage 1000 watts.
Saznajte više o ultrazvučnoj deagregaciji nanodijamanata!

Ultrazvučno potpomognuta funkcionalizacija nanodijamanata

Za funkcionalizaciju cijele površine svake čestice nanometarske veličine površina čestice mora biti dostupna za kemijsku reakciju. To znači da je potrebna ravnomjerna i fina disperzija jer su dobro dispergirane čestice okružene graničnim slojem molekula koje privlači površina čestice. Kako bi se nove funkcionalne skupine dovele na površinu nanodijamanata, taj granični sloj mora se razbiti ili ukloniti. Taj postupak razbijanja i uklanjanja graničnog sloja može se provesti ultrazvukom.
Ultrazvuk uveden u tekućinu stvara različite ekstremne učinke kao što su kavitacija, lokalno vrlo visoka temperatura do 2000K i mlazovi tekućine brzine do 1000km/hr. (Suslick 1998) Tim čimbenicima naprezanja mogu se nadvladati privlačne sile (npr. van der Waalsove sile), a funkcionalne molekule prenose se na površinu čestice radi funkcionalizacije, primjerice površine nanodijamanata.

Pri snažnom ultrazvučnom ozračivanju (npr. uređajem UIP2000hdT tvrtke Hielscher) postaje moguće učinkovito sintetizirati, deaglomerirati i funkcionalizirati nanodijamante.

Shema 1: Grafički prikaz deaglomeracije in situ i površinske funkcionalizacije nanodijamanata (Liang 2011)

Pokusi s obradom zvučnom dezintegracijom potpomognutom kuglicama (BASD) također su pokazali obećavajuće rezultate za površinsku funkcionalizaciju nanodijamanata. Pritom su kuglice (npr. keramičke kuglice mikrometarske veličine poput kuglica ZrO2) upotrijebljene za pojačavanje djelovanja ultrazvučne kavitacijske sile na čestice nanodijamanata. Deaglomeracija nastaje zbog međučestičnih sudara između čestica nanodijamanata i ZrO₂ kuglica.
Zbog bolje dostupnosti površine čestica, za kemijske reakcije poput redukcije boranom, arilacije ili silanizacije snažno se preporučuje ultrazvučna predobrada ili predobrada BASD-om (zvučnom dezintegracijom potpomognutom kuglicama) radi dispergiranja. Ultrazvučnim dispergiranjem i deaglomeracijom kemijska reakcija može teći mnogo potpunije.

Kontaktirajte nas! / Pitajte nas!

Povezane teme

Literatura / Reference

Khachatryan, A. Kh. i sur.: Pretvorba grafita u dijamant izazvana ultrazvučnom kavitacijom. U: Diamond & Related Materials 17, 2008; str. 931–936.
Galimov, Erik & Kudin, A. & Skorobogatskii, V. & Plotnichenko, V. & Bondarev, O. & Zarubin, B. & Strazdovskii, V. & Aronin, Alexandr & Fisenko, A. & Bykov, 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, V. N. (2016): Ultrazvučna deagregacija nanodijamanta potpomognuta solju. ACS Applied Materials & Interfaces, 8(38), 25.461–25.468.
Basma H. Al-Tamimi, Iman I. Jabbar, Haitham M. Al-Tamimi (2919): Sinteza i karakterizacija nanokristalnog dijamanta iz grafitnih listića postupkom potpomognutim kavitacijom. Heliyon, svezak 5, broj 5. 2019.
Krueger, A.: Struktura i reaktivnost dijamanta nanometarske veličine. U: J Mater Chem 18, 2008; str. 1485–1492.
Liang, Y.: Deaglomeracija i površinska funkcionalizacija nanodijamanta termokemijskim i mehanokemijskim metodama. Disertacija, Julius-Maximilian-Universität Würzburg 2011.
Osawa, E.: Monodisperzne pojedinačne čestice nanodijamanta. U: Pure Appl Chem 80/7, 2008; str. 1365–1379.
Pramatarova, L. i sur.: Prednost polimernih kompozita s česticama detonacijskog nanodijamanta za medicinske primjene. U: O biomimetici; str. 298–320.
Sun, L.; Gong, J.; Zhu, D.; Zhu, Z.; He, S.: Dijamantni nanoštapići iz ugljikovih nanocijevi. U: Advanced Materials 16/2004. str. 1849–1853.
Suslick, K.S.: Kirk-Othmerova enciklopedija kemijske tehnologije. 4. izd. J. Wiley & Sons: New York; 26, 1998; str. 517–541.
Chipara, A. C. i sur.: Toplinska svojstva čestica nanodijamanta dispergiranih u polistirenu. HESTEC 2010.
El-Say, K. M.: Nanodijamanti kao sustav za dostavu lijekova: primjena i perspektive. U: J Appl Pharm Sci 01/06, 2011; str. 29–39.

Nanodijamanti – uporaba i primjene

Zrnca nanodijamanata nestabilna su zbog svojeg zeta-potencijala. Stoga su izrazito sklona stvaranju agregata. Nanodijamanti se često primjenjuju u abrazivima, alatima za rezanje i poliranje te hladnjacima za odvođenje topline. Druga je moguća primjena uporaba nanodijamanata kao nosača lijekova za farmaceutske djelatne tvari (usp. Pramatarova). Primjenom sonikacije, kao prvo, nanodijamanti se mogu sintetizirati iz grafita, a kao drugo, nanodijamanti izrazito skloni aglomeraciji mogu se ravnomjerno dispergirati u tekućim medijima (npr. radi formuliranja sredstva za poliranje).