Նանոադամանդների ուլտրաձայնային սինթեզ
Ուլտրաձայնը նանոադամանդների մշակման համար
Նանոադամանդները (որոնք նաև կոչվում են դետոնացիոն ադամանդներ (DND) կամ գերդիսպերս ադամանդներ (UDD)) ածխածնային նանոնյութերի հատուկ ձև են, որոնք առանձնանում են եզակի բնութագրերով՝ բյուրեղային ցանցի կառուցվածքով, մակերևույթի մեծ մակերեսով, ինչպես նաև եզակի օպտիկական և մագնիսական հատկություններով, և բացառիկ գործառական հնարավորություններով։ Գերդիսպերս մասնիկների հատկությունները այս նյութերը դարձնում են նորարարական բաղադրիչներ՝ արտասովոր գործառույթներով նոր նյութեր ստեղծելու համար։ Մրի մեջ ադամանդի մասնիկների չափը մոտ 5nm է։
Ուլտրաձայնային մշակման կամ դետոնացիայի նման ինտենսիվ ուժերի ազդեցությամբ գրաֆիտը կարող է վերածվել ադամանդի։
Ուլտրաձայնով սինթեզված նանոադամանդներ
Ադամանդների սինթեզը գիտական և առևտրային հետաքրքրությունների տեսանկյունից հետազոտության կարևոր ոլորտ է։ Միկրոբյուրեղային և նանոբյուրեղային ադամանդի մասնիկների սինթեզի համար սովորաբար կիրառվում է բարձր ճնշման և բարձր ջերմաստիճանի (HPHT) տեխնոլոգիան։ Այս մեթոդով ստեղծվում են գործընթացի համար անհրաժեշտ տասնյակ հազարավոր մթնոլորտների հասնող ճնշում և 2000K-ից բարձր ջերմաստիճաններ՝ արդյունաբերական ադամանդի համաշխարհային մատակարարման հիմնական մասն ապահովելու համար։ Գրաֆիտն ադամանդի վերածելու համար ընդհանուր առմամբ պահանջվում են բարձր ճնշումներ և բարձր ջերմաստիճաններ, իսկ ադամանդի ելքը մեծացնելու համար օգտագործվում են կատալիզատորներ։
Փոխակերպման համար անհրաժեշտ այս պայմանները կարելի է շատ արդյունավետ կերպով ապահովել բարձր հզորության ուլտրաձայնի կիրառմամբ (= ցածր հաճախականությամբ, բարձր ինտենսիվությամբ ուլտրաձայն)․
Ուլտրաձայնային կավիտացիա
Հեղուկներում ուլտրաձայնը տեղային մակարդակում առաջացնում է ծայրահեղ ուժեղ ազդեցություններ։ Հեղուկները բարձր ինտենսիվության ուլտրաձայնով մշակելիս հեղուկ միջավայրում տարածվող ձայնային ալիքներն առաջացնում են բարձր ճնշման (սեղմման) և ցածր ճնշման (նոսրացման) հերթագայող ցիկլեր, որոնց կրկնման արագությունը կախված է հաճախականությունից։ Ցածր ճնշման ցիկլի ընթացքում բարձր ինտենսիվության ուլտրաձայնային ալիքները հեղուկում ստեղծում են փոքր վակուումային պղպջակներ կամ խոռոչներ։ Երբ պղպջակները հասնում են այնպիսի ծավալի, որի դեպքում այլևս չեն կարող էներգիա կլանել, բարձր ճնշման ցիկլի ընթացքում դրանք կտրուկ փլուզվում են։ Այս երևույթը կոչվում է կավիտացիա։ Ներս ուղղված փլուզման ընթացքում տեղային մակարդակում առաջանում են շատ բարձր ջերմաստիճաններ (մոտ 5 000K) և ճնշումներ (մոտ 2 000atm)։ Կավիտացիոն պղպջակի ներս ուղղված փլուզումը նաև առաջացնում է մինչև 280m/s արագությամբ հեղուկի շիթեր։ (Suslick 1998) Ակնհայտ է, որ միկրոբյուրեղային և նանոբյուրեղային ադամանդները կարող են սինթեզվել ուլտրաձայնային կավիտացիայի դաշտում.
Նանոադամանդների սինթեզի ուլտրաձայնային ընթացակարգ
Փաստացի, Khachatryan և համահեղինակների (2008) ուսումնասիրությունը ցույց է տալիս, որ ադամանդի միկրոբյուրեղներ կարելի է սինթեզել նաև օրգանական հեղուկում գրաֆիտի կախույթը մթնոլորտային ճնշման և սենյակային ջերմաստիճանի պայմաններում ուլտրաձայնով մշակելով։ Որպես կավիտացիոն հեղուկ ընտրվել է արոմատիկ օլիգոմերների բաղադրություն՝ դրա հագեցած գոլորշու ցածր ճնշման և եռման բարձր ջերմաստիճանի պատճառով։ Այս հեղուկում կախույթի վիճակի է բերվել հատուկ մաքուր գրաֆիտի փոշին՝ 100–200 µm միջակայքի մասնիկներով։ Kachatryan և համահեղինակների փորձերում պինդ նյութի և հեղուկի զանգվածային հարաբերությունը եղել է 1:6, իսկ կավիտացիոն հեղուկի խտությունը՝ 1,1g cm-3 ՝ 25°C-ում։ Սոնոռեակտորում ուլտրաձայնի առավելագույն ինտենսիվությունը եղել է 75–80W cm-2 ՝ համապատասխանելով ձայնային ճնշման 15–16 bar ամպլիտուդին։
Ձեռք է բերվել գրաֆիտից ադամանդի մոտավորապես 10% փոխակերպում։ Ադամանդները եղել են գրեթե մոնոդիսպերս ՝ 6 կամ 9μm ± 0,5μm տիրույթում խիստ նեղ բաշխմամբ և հստակ կարգավորված չափերով, խորանարդային, բյուրեղային ձևաբանությամբ և բարձր մաքրությամբ.
Ուլտրաձայնային եղանակով սինթեզված ալմաստների սկանավորող էլեկտրոնային մանրադիտակով (SEM) ստացված պատկերները. (a) և (b) նկարներում ներկայացված է նմուշների 1-ին շարքը, իսկ (c) և (d) նկարներում՝ նմուշների 2-րդ շարքը։ [Khachatryan et al. 2008]
Այս մեթոդով արտադրված միկրո- և նանոալմաստների ծախսերը , ըստ գնահատականների, մրցունակ են բարձր ճնշման և բարձր ջերմաստիճանի (HPHT) գործընթացի համեմատ։ Սա ուլտրաձայնը դարձնում է միկրո- և նանոալմաստների սինթեզի նորարարական այլընտրանք (Khachatryan et al. 2008), հատկապես հաշվի առնելով, որ նանոալմաստների արտադրության գործընթացը հնարավոր է օպտիմալացնել հետագա հետազոտությունների միջոցով։ Բազմաթիվ պարամետրեր, ինչպիսիք են ամպլիտուդը, ճնշումը, ջերմաստիճանը, կավիտացիոն հեղուկը և կոնցենտրացիան, պետք է մանրակրկիտ ուսումնասիրվեն՝ նանոալմաստների ուլտրաձայնային սինթեզի օպտիմալ պայմանները բացահայտելու համար։
Նանոալմաստների սինթեզում ստացված արդյունքների հիման վրա՝ ուլտրաձայնով առաջացվող կավիտացիան նաև հնարավորություն է ընձեռում սինթեզելու այլ կարևոր միացություններ, ինչպիսիք են բորի խորանարդային նիտրիդը, ածխածնի նիտրիդը և այլն (Khachatryan et al. 2008)։
Բացի այդ, կարծես հնարավոր է ուլտրաձայնային ճառագայթման պայմաններում բազմապատ ածխածնային նանոխողովակներից (MWCNTs) ստանալ ալմաստե նանոլարեր և նանոձողեր։ Ալմաստե նանոլարերը ծավալային ալմաստի միաչափ համարժեքներն են։ Իր առաձգականության բարձր մոդուլի, ամրության և քաշի բարձր հարաբերակցության, ինչպես նաև իր մակերևույթների ֆունկցիոնալացման հարաբերական դյուրինության շնորհիվ ալմաստը ճանաչվել է նանոմեխանիկական կառուցվածքների համար օպտիմալ նյութ։ (Sun et al. 2004)
Նանոալմաստների ուլտրաձայնային դիսպերսում
Ինչպես արդեն նկարագրվել է, ապաագլոմերացումը և միջավայրում մասնիկների չափերի համաչափ բաշխումը էական նշանակություն ունեն նանոալմաստների եզակի բնութագրերի հաջող օգտագործման համար։
Դիսպերսումը և ապաագլոմերացումը ուլտրաձայնային մշակման դեպքում պայմանավորված են ուլտրաձայնային կավիտացիայով։ Հեղուկները ուլտրաձայնի ազդեցությանը ենթարկելիս հեղուկում տարածվող ձայնային ալիքներն առաջացնում են բարձր և ցածր ճնշման հերթագայվող ցիկլեր։ Սա մեխանիկական լարում է գործադրում առանձին մասնիկների միջև ձգողության ուժերի վրա։ Հեղուկներում ուլտրաձայնային կավիտացիան առաջացնում է մինչև 1000km/hr (մոտ 600mph) արագությամբ հեղուկի շիթեր։ Այսպիսի շիթերը բարձր ճնշմամբ հեղուկ են մղում մասնիկների միջև և դրանք բաժանում միմյանցից։ Ավելի փոքր մասնիկներն արագանում են հեղուկի շիթերի հետ և բախվում բարձր արագություններով։ Սա ուլտրաձայնը դարձնում է արդյունավետ միջոց միկրոնային և ենթամիկրոնային չափերի մասնիկների դիսպերսման, ինչպես նաև աղացման համար։
Օրինակ՝ նանոալմաստները (մոտ 4nm միջին չափով) և պոլիստիրոլը կարելի է դիսպերսել ցիկլոհեքսանում՝ հատուկ կոմպոզիտ ստանալու համար։ Իրենց ուսումնասիրության մեջ Chipara et al. (2010) պատրաստել են պոլիստիրոլի և նանոալմաստների կոմպոզիտներ՝ նանոալմաստների 0-ից 25% զանգվածային պարունակությամբ։ Համաչափ դիսպերսում ստանալու համար նրանք լուծույթը 60 min մշակել են ուլտրաձայնով՝ օգտագործելով Hielscher-ի 1000 վատտ հզորությամբ UIP1000hd մոդելի ուլտրաձայնային սարքը։
Իմացե՛ք ավելին նանոալմաստների ուլտրաձայնային ապաագրեգացման մասին։
Նանոալմաստների ֆունկցիոնալացում՝ ուլտրաձայնի օժանդակությամբ
Նանոչափ յուրաքանչյուր մասնիկի ամբողջ մակերևույթի ֆունկցիոնալացման համար մասնիկի մակերևույթը պետք է հասանելի լինի քիմիական ռեակցիայի համար։ Սա նշանակում է, որ անհրաժեշտ է համաչափ և մանր դիսպերսում, քանի որ լավ դիսպերսված մասնիկները շրջապատված են մասնիկի մակերևույթին ձգվող մոլեկուլների սահմանային շերտով։ Նանոալմաստների մակերևույթին նոր ֆունկցիոնալ խմբեր հասցնելու համար այդ սահմանային շերտը պետք է քայքայել կամ հեռացնել։ Սահմանային շերտի քայքայման և հեռացման այս գործընթացը կարելի է իրականացնել ուլտրաձայնի միջոցով։
Հեղուկի մեջ ներմուծված ուլտրաձայնն առաջացնում է տարբեր ծայրահեղ ազդեցություններ, ինչպիսիք են կավիտացիան, տեղային շատ բարձր՝ մինչև 2000K ջերմաստիճանը և մինչև 1000km/hr արագությամբ հեղուկի շիթերը։ (Suslick 1998) Այս լարման գործոնների շնորհիվ հնարավոր է հաղթահարել ձգողության ուժերը (օրինակ՝ վան դեր Վաալսի ուժերը), իսկ ֆունկցիոնալ մոլեկուլները տեղափոխվում են մասնիկի մակերևույթ՝ ֆունկցիոնալացնելու, օրինակ, նանոալմաստների մակերևույթը։
Սխեմա 1. Նանոալմաստների տեղում ապաագլոմերացման և մակերևույթի ֆունկցիոնալացման գծապատկեր (Liang 2011)
Գնդիկների օժանդակությամբ ձայնային քայքայման (BASD) մշակմամբ փորձերը խոստումնալից արդյունքներ են ցույց տվել նաև նանոալմաստների մակերևույթի ֆունկցիոնալացման համար։ Այդ նպատակով գնդիկներ (օրինակ՝ միկրոմետրային չափերի կերամիկական գնդիկներ, ինչպիսիք են ZrO2 գնդիկները) են օգտագործվել՝ նանոալմաստի մասնիկների վրա ուլտրաձայնային կավիտացիոն ուժերի ազդեցությունն ուժեղացնելու համար։ Դեագլոմերացումը տեղի է ունենում նանոալմաստի մասնիկների և ZrO2 գնդիկների միջև միջմասնիկային բախումների շնորհիվ։
Մասնիկների մակերևույթի ավելի լավ հասանելիության շնորհիվ այնպիսի քիմիական ռեակցիաների համար, ինչպիսիք են բորանով վերականգնումը, արիլացումը կամ սիլանացումը, խիստ խորհուրդ է տրվում դիսպերսման նպատակով կատարել ուլտրաձայնային կամ BASD (գնդիկների օժանդակությամբ ձայնային քայքայման) նախնական մշակում։ Ուլտրաձայնային դիսպերսման և դեագլոմերացման միջոցով քիմիական ռեակցիան կարող է ընթանալ շատ ավելի լիարժեք։
Ուլտրաձայնային կավիտացիան առաջացնում է ջերմաստիճանի և ճնշման ծայրահեղ տարբերություններ և հեղուկի բարձրարագ շիթեր։ Այդպիսով, հզոր ուլտրաձայնը խառնման և աղացման կիրառությունների համար արդյունավետ մշակման մեթոդ է։
Կապվե՛ք մեզ հետ։ / Հարցրե՛ք մեզ։
Գրականություն/Հղումներ
- Khachatryan, A. Kh. և այլք՝ Ուլտրաձայնային կավիտացիայով հարուցված գրաֆիտից ալմաստի փոխակերպում։ Հրատարակված է՝ Diamond & Related Materials 17, 2008; էջ 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): Կավիտացիայի գործընթացում ալմաստի սինթեզի փորձարարական հաստատում. Doklady Physics – DOKL PHYS. 49. 150–153.
- Turcheniuk, K., Trecazzi, C., Deeleepojananan, C., & Mochalin, V. N. (2016): Նանոալմաստի ուլտրաձայնային դեագրեգացում՝ աղի օժանդակությամբ. ACS Applied Materials & Interfaces, 8(38), 25 461–25 468.
- Basma H. Al-Tamimi, Iman I. Jabbar, Haitham M. Al-Tamimi (2919): Նանոբյուրեղային ալմաստի սինթեզը գրաֆիտի թեփուկներից՝ կավիտացիայով խթանվող գործընթացով, և դրա բնութագրումը. Heliyon, հատոր 5, համար 5. 2019.
- Krueger, A.՝ Նանոմասշտաբային ալմաստի կառուցվածքը և ռեակցիոն ունակությունը։ Հրատարակված է՝ J Mater Chem 18, 2008; էջ 1485–1492։
- Liang, Y.՝ Նանոալմաստի դեագլոմերացումը և մակերևույթի ֆունկցիոնալացումը ջերմաքիմիական և մեխանաքիմիական մեթոդներով։ Ատենախոսություն, Վյուրցբուրգի Յուլիուս Մաքսիմիլիանի համալսարան, 2011։
- Osawa, E.՝ Մոնոդիսպերս առանձին նանոալմաստային մասնիկներ։ Հրատարակված է՝ Pure Appl Chem 80/7, 2008; էջ 1365–1379։
- Pramatarova, L. և այլք՝ Դետոնացիոն նանոալմաստի մասնիկներով պոլիմերային կոմպոզիտների առավելությունը բժշկական կիրառությունների համար։ Հրատարակված է՝ On Biomimetics; էջ 298–320։
- Sun, L.; Gong, J.; Zhu, D.; Zhu, Z.; He, S.՝ Ալմաստե նանոձողեր ածխածնային նանոխողովակներից։ Հրատարակված է՝ Advanced Materials 16/2004. էջ 1849–1853։
- Suslick, K.S.՝ Քիմիական տեխնոլոգիայի Kirk-Othmer հանրագիտարան։ 4-րդ հրատարակություն։ J. Wiley & Sons՝ Նյու Յորք; 26, 1998; էջ 517–541։
- Chipara, A. C. և այլք՝ Պոլիստիրոլում դիսպերսված նանոալմաստի մասնիկների ջերմային հատկությունները։ HESTEC 2010։
- El-Say, K. M.՝ Նանոալմաստները՝ որպես դեղանյութերի առաքման համակարգ. կիրառությունը և հեռանկարները։ Հրատարակված է՝ J Appl Pharm Sci 01/06, 2011; էջ 29–39։
Նանոալմաստներ – օգտագործումը և կիրառությունները
Նանոալմաստի հատիկներն անկայուն են իրենց ձետա պոտենցիալի պատճառով։ Ուստի դրանք ագրեգատներ առաջացնելու մեծ հակում ունեն։ Նանոալմաստների տարածված կիրառություններից է դրանց օգտագործումը հղկանյութերում, կտրող ու փայլեցնող գործիքներում և ջերմահեռացուցիչներում։ Մեկ այլ հնարավոր կիրառություն է նանոալմաստների օգտագործումը որպես դեղակիր՝ դեղագործական ակտիվ բաղադրիչների համար (տե՛ս Pramatarova)։ Ուլտրաձայնային մշակմամբ, նախ, նանոալմաստներ կարող են սինթեզվել գրաֆիտից, և երկրորդ՝ ագլոմերացման մեծ հակում ունեցող նանոալմաստները կարող են հավասարաչափ դիսպերսվել հեղուկ միջավայրերում (օրինակ՝ փայլեցնող միջոցի պատրաստման համար)։