Nanogyémántok ultrahangos szintézise

• Intenzív kavitációs ereje miatt a teljesítmény ultrahang ígéretes technika mikron és nano méretű gyémántok előállítására grafitból.
• Mikro- és nanokristályos gyémántok szintetizálhatók, szonikálva a grafit szuszpenzióját szerves folyadékban légköri nyomáson és szobahőmérsékleten.
• Az ultrahangos is hasznos eszköz a szintetizált nano gyémántok utófeldolgozásához, mivel az ultrahangos kezelés szétszórja, deagglomerálja és funkcionalizálja a nanorészecskéket nagyon hatékony.

Ultrahang nanogyémánt kezelés

A nanogyémántok (más néven detonációs gyémántok (DND) vagy ultradiszpergált gyémántok (UDD)) a szén nanoanyagok olyan speciális formái, amelyeket egyedi jellemzők jellemeznek – mint például rács szerkezete, nagy Felület, valamint egyedi optikai és mágneses tulajdonságok – és kivételes alkalmazások. Az ultradiszpergált részecskék tulajdonságai ezeket az anyagokat innovatív vegyületekké teszik a rendkívüli funkciókkal rendelkező új anyagok létrehozásához. A koromban lévő gyémántrészecskék mérete körülbelül 5 nm.

Intenzív erők, például szonikálás vagy robbanás esetén a grafit gyémánttá alakítható.

Ultrahanggal szintetizált nanogyémántok

A gyémántszintézis fontos kutatási terület a tudományos és kereskedelmi érdekek szempontjából. A mikrokristályos és nanokristályos gyémántrészecskék szintézisére általánosan használt eljárás a nagynyomású-magas hőmérsékletű (HPHT) technika. Ezzel a módszerrel több tízezer atmoszféra és több mint 2000 K hőmérséklet szükséges folyamatnyomása keletkezik a világ ipari gyémántkínálatának fő részének előállításához. A grafit gyémánttá történő átalakításához általában nagy nyomás és magas hőmérséklet szükséges, és katalizátorokat használnak a gyémánt hozamának növelésére.
Ezek az átalakításhoz szükséges követelmények nagyon hatékonyan generálhatók a nagy teljesítményű ultrahang (= alacsony frekvenciájú, nagy intenzitású ultrahang):

ultrahangos kavitáció

A folyadékokban lévő ultrahang lokálisan nagyon szélsőséges hatásokat okoz. A folyadékok nagy intenzitású szonikálásakor a folyékony közegbe terjedő hanghullámok váltakozó nagynyomású (kompressziós) és alacsony nyomású (ritka) ciklusokat eredményeznek, a frekvenciától függő sebességgel. Az alacsony nyomású ciklus alatt a nagy intenzitású ultrahangos hullámok kis vákuumbuborékokat vagy üregeket hoznak létre a folyadékban. Amikor a buborékok elérik azt a térfogatot, amelyen már nem képesek energiát elnyelni, hevesen összeomlanak egy nagynyomású ciklus során. Ezt a jelenséget nevezik Kavitáció. Az implózió során nagyon magas hőmérsékletet (kb. 5000K) és nyomást (kb. 2000 atm) érnek el helyben. A kavitációs buborék implóziója akár 280 m / s sebességű folyékony fúvókákat is eredményez. (Suslick 1998) Nyilvánvaló, hogy a mikro- és nanokristályos A gyémántok szintetizálhatók az ultrahang területén Kavitáció.

Ultrahangos eljárás nanogyémántok szintéziséhez

De facto Khachatryan et al. (2008) tanulmánya azt mutatja, hogy a gyémánt mikrokristályok szintetizálhatók grafit szuszpenzió ultrahangos vizsgálatával szerves folyadékban légköri nyomáson és szobahőmérsékleten. Kavitációs folyadékként aromás oligomerek képletét választották alacsony telített gőznyomása és magas forráspontja miatt. Ebben a folyadékban a speciális tiszta grafitpor – 100-200 μm közötti részecskékkel – szuszpendálták. Kachatryan et al. kísérleteiben a szilárd-folyadék tömegarány 1:6 volt, a kavitációs folyadék sűrűsége 1,1 g cm volt^-3 25°C-on. A szonoreaktor maximális ultrahangos intenzitása 75-80W cm volt^-2 15-16 bar hangnyomás-amplitúdónak felel meg.
Körülbelül 10% grafit-gyémánt átalakítást értek el. A gyémántok majdnem mono-diszpergált nagyon éles, jól megtervezett méretben 6 vagy 9μm ± 0,5μm tartományban, köbös, kristályos morfológia és nagy tisztaság.

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

A Költségek az ezzel a módszerrel előállított mikro- és nanogyémántok becsült száma versenyképes a nagynyomású-magas hőmérsékletű (HPHT) eljárással. Ez teszi az ultrahangot innovatív alternatívává a mikro- és nanogyémántok szintézisében (Khachatryan et al. 2008), különösen azért, mert a nanogyémántok gyártási folyamata további vizsgálatokkal optimalizálható. Számos paramétert, például amplitúdót, nyomást, hőmérsékletet, kavitációs folyadékot és koncentrációt pontosan meg kell vizsgálni, hogy felfedezzék az ultrahangos nanogyémánt szintézis édes pontját.
A nanogyémántok szintetizálásával elért eredményekkel, tovább ultrahanggal generálva Kavitáció lehetőséget kínál más fontos vegyületek, például köbös bór-nitrid, szén-nitrid stb. szintézisére (Khachatryan et al. 2008)
Továbbá úgy tűnik, hogy ultrahangos besugárzás alatt gyémánt nanohuzalokat és nanorudakat lehet létrehozni többfalú szén nanocsövekből (MWCNT). A gyémánt nanohuzalok az ömlesztett gyémánt egydimenziós analógjai. Magas rugalmassági modulusa, szilárdság-tömeg aránya és felületeinek viszonylag könnyű funkcionalizálása miatt a gyémánt optimális anyagnak bizonyult a nanomechanikai tervezéshez. (Sun et al. 2004)

A nanogyémántok ultrahangos diszpergálása

Mint már leírtuk, a deagglomeráció és a részecskék egyenletes méreteloszlása a közegben elengedhetetlen a nanogyémántok egyedi tulajdonságainak sikeres kiaknázásához.
diszperzió és deagglomeráció Az ultrahangos kezelés eredménye ultrahangos Kavitáció. Amikor folyadékokat ultrahangnak tesz ki, a folyadékba terjedő hanghullámok váltakozó nagynyomású és alacsony nyomású ciklusokat eredményeznek. Ez mechanikai feszültséget gyakorol az egyes részecskék közötti vonzerőkre. A folyadékok ultrahangos kavitációja nagy sebességű folyadéksugarakat okoz, akár 1000km / h (kb. 600mph). Az ilyen fúvókák nagy nyomáson préselik a folyadékot a részecskék között, és elválasztják egymástól. A kisebb részecskéket a folyadéksugarak felgyorsítják, és nagy sebességgel ütköznek. Ez teszi az ultrahangot hatékony eszközzé a diszpergáláshoz, de a őrlés mikron méretű és mikron alatti méretű részecskék.
Például a nanogyémántok (átlagos mérete körülbelül 4 nm) és a polisztirol ciklohexánban diszpergálhatók, hogy speciális kompozitot kapjanak. Tanulmányukban Chipara et al. (2010) polisztirol és nanogyémánt kompozitokat készítettek, amelyek nanogyémántokat tartalmaznak 0 és 25% tömeg között. Ahhoz, hogy egyenletes diszperzió, 60 percig ultrahanggal kezelték az oldatot Hielscherrel UIP1000hd (1kW).

Ultrahanggal segített funkcionalizálása nanogyémántok

Az egyes nanoméretű részecskék teljes felületének funkcionalizálásához a részecske felületének rendelkezésre kell állnia a kémiai reakcióhoz. Ez azt jelenti, hogy egyenletes és finom diszperzióra van szükség, mivel a jól diszpergált részecskéket molekulák határrétege veszi körül, amelyek vonzódnak a részecske felületéhez. Ahhoz, hogy új funkciós csoportok kerüljenek a nanogyémántok felszínére, ezt a határréteget meg kell törni vagy el kell távolítani. Ezt a törési és eltávolítási folyamatot ultrahanggal lehet elvégezni.
A folyadékba bevitt ultrahang különféle szélsőséges hatásokat vált ki, például: Kavitáció, lokálisan nagyon magas hőmérséklet 2000 K-ig és folyékony fúvókák akár 1000 km / h-ig. (Suslick 1998) Ezzel a stressztényezővel a vonzerők (pl. Van-der-Waals erők) leküzdhetők, és a funkcionális molekulák a részecske felületére kerülnek, hogy funkcionalizálódjanak, pl. nanogyémántok felülete.

1. séma: A nanogyémántok in situ-deagglomerációjának és felületi funkcionalizálásának grafikája (Liang 2011)

A Bead-Assisted Sonic Disintegration (BASD) kezeléssel végzett kísérletek ígéretes eredményeket mutattak a nanogyémántok felületi működésében is. Ezáltal gyöngyöket (pl. Mikroméretű kerámia gyöngyöket, például ZrO2 gyöngyöket) használtak az ultrahangos kavitációs erők a nanogyémánt részecskékre. A deagglomeráció a nanogyémánt részecskék és a ZrO közötti kölcsönhatás miatt következik be₂ Gyöngyök.
A részecskék felületének jobb elérhetősége miatt olyan kémiai reakciókhoz, mint a Boran redukció, ariláció vagy szilanizálás, ultrahangos vagy BASD (gyöngyökkel segített szonikus szétesés) előkezelés diszpergálási célból erősen ajánlott. Ultrahanggal Szétválogatása és deagglomeráció A kémiai reakció sokkal teljesebben folytatódhat.