Nanogyémántok ultrahangos szintézise

Grafitból gyémánt: a nagy teljesítményű ultrahang ígéretes lehetőséget kínál mikro- és nanokristályos gyémántok szintézisére szobahőmérsékleten és légköri nyomáson. Az intenzív akusztikus kavitáció lehetővé teszi a gyémántképződést szerves folyadékokban szuszpendált grafitból. A szintézisen túl az ultrahangos kezelés elősegíti a keletkező nanogyémántok hatékony diszpergálását, deagglomerálását és funkcionalizálását – így sokoldalú eszköz mind az előállításban, mind az utófeldolgozásban.

Ultrahang a nanogyémántok feldolgozásában

A nanogyémántok (más néven detonációs gyémántok (DND) vagy ultradiszpergált gyémántok (UDD)) a szénalapú nanoanyagok különleges formáját képviselik, amelyet egyedi jellemzők – például rácsszerkezetük, nagy felületük, valamint egyedi optikai és mágneses tulajdonságaik – és kivételes funkcionalitásuk különböztetnek meg. Az ultradiszpergált részecskék tulajdonságai révén ezek az anyagok innovatív összetevőként szolgálnak rendkívüli funkciókkal rendelkező új anyagok létrehozásához. A koromban található gyémántrészecskék mérete körülbelül 5nm.

Intenzív erőhatások, például ultrahangos kezelés vagy detonáció hatására a grafit gyémánttá alakítható.

Ultrahanggal szintetizált nanogyémántok

A gyémántok szintézise tudományos és kereskedelmi szempontból fontos kutatási terület. A mikro- és nanokristályos gyémántrészecskék szintézisére általánosan alkalmazott eljárás a nagy nyomású, magas hőmérsékletű (HPHT) technika. Ezzel a módszerrel hozzák létre a szükséges, több tízezer atmoszférás folyamatnyomást és a 2000K feletti hőmérsékletet, hogy előállítsák a világ iparigyémánt-ellátásának túlnyomó részét. A grafit gyémánttá alakításához általában nagy nyomás és magas hőmérséklet szükséges, a gyémánt hozamának növelésére pedig katalizátorokat használnak.
Az átalakításhoz szükséges feltételek nagyon hatékonyan létrehozhatók nagy teljesítményű ultrahanggal (= alacsony frekvenciájú, nagy intenzitású ultrahang):

Ultrahangos kavitáció

Az ultrahang folyadékokban helyileg rendkívül szélsőséges hatásokat okoz. A folyadékok nagy intenzitású ultrahangos kezelésekor a folyékony közegben terjedő hanghullámok váltakozó nagy nyomású (kompressziós) és kis nyomású (ritkulási) ciklusokat eredményeznek, amelyek ismétlődési üteme a frekvenciától függ. A kis nyomású ciklus során a nagy intenzitású ultrahanghullámok kis vákuumbuborékokat vagy üregeket hoznak létre a folyadékban. Amikor a buborékok elérik azt a térfogatot, amelynél már nem tudnak több energiát elnyelni, egy nagy nyomású ciklus során hevesen összeomlanak. Ezt a jelenséget nevezik kavitációnak. Az összeomlás során helyileg nagyon magas hőmérséklet (kb. 5 000K) és nyomás (kb. 2 000atm) alakul ki. A kavitációs buborék összeomlása emellett akár 280m/s sebességű folyadéksugarakat is létrehoz. (Suslick 1998) Nyilvánvaló, hogy a mikro- és nanokristályos gyémántok szintézise lehetséges az ultrahangos kavitáció terében.

Ebben a videóban egy átöblíthető szekrénybe épített, 2 kilowattos, átfolyásos üzemű ultrahangos rendszert mutatunk be. A Hielscher szinte minden iparág számára szállít ultrahangos berendezéseket, például a vegyipar, a gyógyszeripar, a kozmetikai ipar és a petrolkémiai folyamatok, valamint az oldószeres extrakciós eljárások területére. Ez az átöblíthető, rozsdamentes acél szekrény robbanásveszélyes térben történő üzemeltetésre készült. Ennek érdekében az ügyfél a tömített szekrényt nitrogénnel vagy friss levegővel öblítheti át, hogy megakadályozza az éghető gázok vagy gőzök bejutását.

Ultrahangos eljárás nanogyémántok szintézisére

Khachatryan és munkatársai (2008) tanulmánya ténylegesen kimutatja, hogy gyémánt-mikrokristályok szerves folyadékban szuszpendált grafit ultrahangos kezelésével is szintetizálhatók, légköri nyomáson és szobahőmérsékleten. Kavitációs folyadékként aromás oligomerekből álló elegyet választottak annak alacsony telítettgőz-nyomása és magas forráspontja miatt. Ebben a folyadékban szuszpendálták a speciális, tiszta grafitport, amelynek részecskéi a 100–200 µm közötti mérettartományba estek. Kachatryan és munkatársai kísérleteiben a szilárd anyag és a folyadék tömegaránya 1:6, a kavitációs folyadék sűrűsége pedig 1,1g cm^-3 volt 25°C-on. A szonoreaktorban a maximális ultrahang-intenzitás 75–80W cm^-2 volt, ami 15–16 bar hangnyomás-amplitúdónak felelt meg.
Körülbelül 10%-os grafit–gyémánt átalakulást értek el. A gyémántok közel monodiszperzek voltak, nagyon szűk, jól szabályozott méreteloszlással a 6 vagy 9μm ± 0,5μm tartományban, köbös, kristályos morfológiájúak és nagy tisztaságúak.

Ultrahanggal szintetizált gyémántok (SEM-felvételek): a nagy teljesítményű ultrahang biztosítja a nanogyémántok szintézisének előidézéséhez szükséges energiát

Az ultrahanggal szintetizált gyémántok SEM-felvételei: az (a) és (b) képek az 1. mintasorozatot, a (c) és (d) képek a 2. mintasorozatot mutatják. [Khachatryan et al. 2008]

Az előállítási költségek az ezzel a módszerrel előállított mikro- és nanogyémántok esetében a becslések szerint versenyképesek a nagy nyomású, magas hőmérsékletű (HPHT) eljárás költségeivel. Ez az ultrahangot a mikro- és nanogyémántok szintézisének innovatív alternatívájává teszi (Khachatryan és munkatársai 2008), különösen azért, mert a nanogyémántok előállítási folyamata további vizsgálatokkal optimalizálható. Számos paramétert, például az amplitúdót, a nyomást, a hőmérsékletet, a kavitációs folyadékot és a koncentrációt pontosan meg kell vizsgálni az ultrahangos nanogyémánt-szintézis optimális működési feltételeinek meghatározásához.
A nanogyémántok szintézisében elért eredmények alapján az ultrahanggal létrehozott kavitáció további fontos vegyületek, például köbös bór-nitrid, szén-nitrid stb. szintézisének lehetőségét is kínálja. (Khachatryan és munkatársai 2008)
Emellett úgy tűnik, hogy ultrahangos besugárzás mellett többfalú szénnanocsövekből (MWCNT-kből) gyémánt-nanohuzalok és nanorudak is létrehozhatók. A gyémánt-nanohuzalok a tömbi gyémánt egydimenziós megfelelői. Magas rugalmassági modulusa, nagy szilárdság/tömeg aránya és felületeinek viszonylag könnyű funkcionalizálhatósága miatt a gyémántot a nanomechanikai konstrukciók optimális anyagának találták. (Sun és munkatársai 2004)

Nanogyémántok ultrahangos diszpergálása

Ahogy azt már ismertettük, a deagglomerálás és a közegben kialakított egyenletes részecskeméret-eloszlás alapvető fontosságú a nanogyémántok egyedi tulajdonságainak sikeres kiaknázásához.
A diszpergálás és a deagglomerálás ultrahangos kezelés során az ultrahangos kavitáció eredménye. Amikor a folyadékokat ultrahangnak tesszük ki, a folyadékban terjedő hanghullámok váltakozó nagy és kis nyomású ciklusokat eredményeznek. Ez mechanikai igénybevételt fejt ki az egyes részecskék közötti vonzóerőkre. Az ultrahangos kavitáció folyadékokban akár 1000km/hr (kb. 600mph) sebességű folyadéksugarakat hoz létre. Ezek a sugarak nagy nyomással folyadékot préselnek a részecskék közé, és elválasztják őket egymástól. A kisebb részecskéket a folyadéksugarak felgyorsítják, így azok nagy sebességgel ütköznek. Ez az ultrahangot hatékony eszközzé teszi a diszpergáláshoz, valamint az őrléshez is mikrométeres és szubmikrométeres méretű részecskék esetében.
Például nanogyémántok (körülbelül 4nm átlagos mérettel) és polisztirol diszpergálhatók ciklohexánban egy speciális kompozit előállításához. Chipara és munkatársai (2010) tanulmányukban polisztirolból és nanogyémántokból készítettek kompozitokat, amelyek nanogyémánt-tartalma 0 és 25 tömeg% közé esett. Az egyenletes diszperzió eléréséhez az oldatot 60 min ideig kezelték ultrahanggal, a Hielscher nagy teljesítményű, 1000 wattos UIP1000hd ultrahangos készülékével.
Tudjon meg többet a nanogyémántok ultrahangos deaggregálásáról!

Nanogyémántok ultrahanggal segített funkcionalizálása

Az egyes nanoméretű részecskék teljes felületének funkcionalizálásához a részecske felületének hozzáférhetőnek kell lennie a kémiai reakció számára. Ez azt jelenti, hogy egyenletes és finom diszperzióra van szükség, mivel a jól diszpergált részecskéket a részecskefelülethez vonzódó molekulákból álló határréteg veszi körül. Ahhoz, hogy új funkciós csoportok kerüljenek a nanogyémántok felületére, ezt a határréteget meg kell bontani vagy el kell távolítani. A határréteg megbontása és eltávolítása ultrahanggal végezhető el.
A folyadékba bevezetett ultrahang különféle szélsőséges hatásokat hoz létre, például kavitációt, helyileg akár 2000K-t elérő, nagyon magas hőmérsékletet és akár 1000km/hr sebességű folyadéksugarakat. (Suslick 1998) Ezekkel az igénybevételi tényezőkkel legyőzhetők a vonzóerők (pl. a Van-der-Waals-erők), és a funkcionális molekulák a részecske felületére jutnak, hogy funkcionalizálják például a nanogyémántok felületét.

Nagy teljesítményű ultrahangos besugárzás mellett (pl. a Hielscher UIP2000hdT készülékével) lehetővé válik a nanogyémántok hatékony szintézise, deagglomerálása és funkcionalizálása.

1. séma: A nanogyémántok in situ deagglomerálásának és felületi funkcionalizálásának grafikus ábrázolása (Liang 2011)

A gyöngyökkel segített ultrahangos dezintegrációs (BASD) kezeléssel végzett kísérletek a nanogyémántok felületi funkcionalizálásában is ígéretes eredményeket mutattak. Ennek során gyöngyöket (pl. mikroméretű kerámiagyöngyöket, például ZrO2-gyöngyöket) használtak arra, hogy fokozzák az ultrahangos kavitációs erők hatását a nanogyémánt-részecskékre. A deagglomerálás a nanogyémánt-részecskék és a ZrO₂ gyöngyök közötti részecskeütközések következtében megy végbe.
A részecskék felületének jobb hozzáférhetősége miatt az olyan kémiai reakciókhoz, mint a borános redukció, az arilezés vagy a szilanizálás, kifejezetten ajánlott a diszpergálás céljából végzett ultrahangos vagy BASD (gyöngyökkel segített ultrahangos dezintegrációs) előkezelés. Az ultrahangos diszpergálás és deagglomerálás révén a kémiai reakció sokkal teljesebben mehet végbe.

Lépjen kapcsolatba velünk! / Kérdezzen tőlünk!

Kapcsolódó témák

Szakirodalom/Hivatkozások

Khachatryan, A. Kh. és munkatársai: Ultrahangos kavitáció által előidézett grafit–gyémánt átalakulás. In: Diamond & Related Materials 17, 2008; 931–936. o.
Galimov, Erik & Kudin, A. & Skorobogatskii, V. & Plotnichenko, V. & Bondarev, O. & Zarubin, B. & Strazdovskii, V. & Aronin, Alexandr & Fisenko, A. & Bykov, I. & Barinov, A.. (2004): A gyémánt kavitációs folyamatban történő szintézisének kísérleti igazolása. Doklady Physics – DOKL PHYS. 49. 150–153.
Turcheniuk, K., Trecazzi, C., Deeleepojananan, C., & Mochalin, V. N. (2016): Nanogyémánt sóval segített ultrahangos deaggregálása. ACS Applied Materials & Interfaces, 8(38), 25 461–25 468.
Basma H. Al-Tamimi, Iman I. Jabbar, Haitham M. Al-Tamimi (2919): Nanokristályos gyémánt szintézise és jellemzése grafitpelyhekből, kavitációval elősegített eljárással. Heliyon, 5. kötet, 5. szám. 2019.
Krueger, A.: A nanoméretű gyémánt szerkezete és reakcióképessége. In: J Mater Chem 18, 2008; 1485–1492. o.
Liang, Y.: Nanogyémánt deagglomerálása és felületi funkcionalizálása termokémiai és mechanokémiai módszerekkel. Doktori értekezés, Julius-Maximilian-Universität Würzburg 2011.
Osawa, E.: Monodiszperz, egyedi nanogyémánt-részecskék. In: Pure Appl Chem 80/7, 2008; 1365–1379. o.
Pramatarova, L. és munkatársai: Detonációs nanogyémánt-részecskéket tartalmazó polimerkompozitok előnye az orvosi alkalmazásokban. In: On Biomimetics; 298–320. o.
Sun, L.; Gong, J.; Zhu, D.; Zhu, Z.; He, S.: Gyémánt-nanorudak szénnanocsövekből. In: Advanced Materials 16/2004. 1849–1853. o.
Suslick, K.S.: Kirk-Othmer vegyipari technológiai enciklopédia. 4. kiadás. J. Wiley & Sons: New York; 26, 1998; 517–541. o.
Chipara, A. C. és munkatársai: Polisztirolban diszpergált nanogyémánt-részecskék termikus tulajdonságai. HESTEC 2010.
El-Say, K. M.: Nanogyémántok mint gyógyszerhatóanyag-szállító rendszer: alkalmazás és kilátások. In J Appl Pharm Sci 01/06, 2011; 29–39. o.

Nanogyémántok – Felhasználás és alkalmazások

A nanogyémántszemcsék zéta-potenciáljuk miatt instabilak. Emiatt erősen hajlamosak aggregátumok képzésére. A nanogyémántok gyakori alkalmazása a csiszolóanyagokban, vágó- és polírozószerszámokban, valamint hűtőbordákban történő felhasználás. Egy másik lehetséges felhasználás a nanogyémántok alkalmazása gyógyszerhatóanyagok hordozójaként (vö. Pramatarova). Az ultrahangos kezeléssel egyrészt nanogyémántok szintetizálhatók grafitból, másrészt az agglomerálódásra erősen hajlamos nanogyémántok egyenletesen diszpergálhatók folyékony közegekben (pl. polírozószer formulázásához).