Ultrasonik Sintesis untuk Nanodiamonds

• Karena kekuatan intensitas kavitasi yang kuat, kekuatan ultrasound adalah teknik yang menjanjikan untuk menghasilkan berlian berukuran mikron dan nano dari grafit.
• Inti kristal mikro dan nano berlian dapat disintesis dengan mensimulasikan suspensi grafit dalam cairan organik pada tekanan atmosfir dan suhu kamar.
• Ultrasonik juga merupakan alat yang berguna untuk pemrosesan pasca-nano berlian yang disintesis, karena penyebaran ultrasonikasi, deaglomerat dan memfungsikan partikel nano sangat efektif.

Ultrasonik untuk Pemrosesan Nanodiamond

Berlian nano (juga disebut detonation diamonds (DND) atau ultradispersed diamonds (UDD)) adalah bentuk khusus dari bahan nano karbon yang dibedakan berdasarkan karakteristik unik - seperti struktur kisi-kisi, permukaannya yang besar, serta sifat optik dan magnetiknya yang unik - dan fungsi yang luar biasa. Sifat-sifat partikel ultradispersed menjadikan material ini senyawa inovatif untuk penciptaan material baru dengan fungsi yang luar biasa. Ukuran partikel berlian dalam jelaga sekitar 5nm.

Di bawah kekuatan yang intens, seperti sonikasi atau detonasi, grafit dapat berubah menjadi berlian.

Ultrasonikasi Sintetis Nanodiamonds

Sintesis berlian merupakan bidang penelitian penting mengenai kepentingan ilmiah dan komersial. Proses yang umum digunakan untuk sintesis partikel mikrok ristal berlian dan nano kristal adalah teknik high-pressure-high-temperature (HPHT). Dengan metode ini, tekanan proses yang dibutuhkan puluhan ribu atmosfer dan suhu lebih dari 2000K dibuat untuk menghasilkan bagian utama dari pasokan berlian industri di seluruh dunia. Untuk merubah grafit menjadi berlian, pada umumnya diperlukan tekanan dan suhu yang tinggi, dan katalis yang digunakan untuk meningkatkan hasil dari berlian.
Persyaratan ini diperlukan untuk dapat mentransformasi hasil yang sangat efisien dengan menggunakan Ultrasound dengan Kekuatan Besar (= frekuensi rendah, tinggi intensitas ultrasound):

Kavitasi ultrasonik

Ultrasound dalam cairan menyebabkan efek yang sangat ekstrim secara lokal. Ketika mensimulasikan cairan dengan intensitas tinggi, gelombang suara yang menyebar ke media cair menghasilkan siklus tekanan tinggi (kompresi) dan tekanan rendah (rarefaction), dengan tingkat tergantung pada frekuensi. Selama siklus tekanan rendah, gelombang ultrasonik intensitas tinggi menciptakan gelembung vakum kecil atau void dalam cairan. Ketika gelembung mencapai volume di mana mereka tidak dapat lagi menyerap energi, mereka akan mengalami kekerasan hebat selama siklus tekanan tinggi. Fenomena ini disebut Kavitasi. Selama ledakan suhu yang sangat tinggi (approx. 5, 000K) dan tekanan (kira-kira 2, 000atm) dapat dicapai secara lokal. Ledakan gelembung kavitasi juga mengakibatkan cair jet dengan kecepatan hingga 280 m/s. (Suslick 1998) Sudah jelas bahwa mikro - dan nano kristal berlian dapat disintesis di bidang kavitasi Kavitasi.

Proses Ultrasonik untuk Sintesis Nanodiamonds

De facto, studi Khachatryan et al. (2008) menunjukkan bahwa microcrystals berlian juga dapat disintesis oleh ultrasonication suspensi grafit dalam cairan organik pada tekanan atmosfir dan suhu kamar. Sebagai cairan kavitasi, formula oligomer aromatik telah dipilih karena tekanan uap jenuh yang rendah dan suhu mendidih yang tinggi. Dalam cairan ini, bubuk grafit murni harus – dengan partikel dalam kisaran antara 100-200 µm-telah ditangguhkan. Dalam percobaan dari Kachatryan et al., rasio berat padat-cairan adalah 1:6, kepadatan cairan kavitasi 1.1g cm^-3 pada 25° C. Maksimum intensitas ultrasonik di sonoreactor telah 75 80W cm^-2 sesuai dengan amplitudo tekanan suara 15-16 bar.
Ini telah dicapai kira-kira konversi grafit-ke-berlian 10%. Berliannya hampir Mono-tersebar dengan sangat tajam, ukuran dirancang dengan baik di kisaran 6 atau 9μm ± 0.5μm, dengan kubik, kristal morfologi dan kemurnian tinggi.

SEM gambar berlian ultrasonically disintesis: gambar (a) dan (b) menunjukkan sampel 1, (c) dan (d) sampel seri 2. [Khachatryan et al. 2008]

Seperti yang ditunjukkan dalam gambar biaya mikro - dan nanodiamonds yang dihasilkan oleh metode ini diperkirakan kompetitif dengan proses high-pressure-high-temperature (HPHT). Hal ini membuat ultrasound menjadi alternatif inovatif untuk sintesis berlian mikro dan nano (Khachatryan et al 2008. 2008), terutama karena proses produksi nanodiamond dapat dioptimalkan dengan penyelidikan lebih lanjut. Banyak parameter seperti amplitudo, tekanan, suhu, cairan kavitasi, dan konsentrasi harus diperiksa secara akurat untuk mengetahui titik manis sintesis nanodiamond ultrasonik.
Dengan hasil yang dicapai dalam sintesis nanodiamonds, lebih lanjut dihasilkan secara ultrasonikasi Kavitasi menawarkan potensi untuk sintesis senyawa penting lainnya, seperti kubik boron nitrida, nitrida karbon dll (Khachatryan et al., 2008)
Selanjutnya, tampaknya memungkinkan untuk membuat nanowires berlian dan nanorod dari nanotube karbon berdinding ganda (MWCNTs) di bawah iradiasi ultrasonik. Nanowires Diamond adalah analog satu dimensi berlian yang berjumlah besar. Karena modulus elastisitasnya yang tinggi, rasio kekuatan terhadap berat, dan kemudahan relatif permukaannya dapat difungsikan, berlian telah ditemukan sebagai bahan optimal untuk desain nanomekanik. (Sun et al., 2004)

Ultrasonik Menyebarkan Nanodiamonds

Seperti yang telah dijelaskan, deaglomerasi dan distribusi ukuran partikel yang merata di dalam medium merupakan hal yang sangat penting untuk keberhasilan eksploitasi berlian nano’ karakteristik yang unik.
Dispersi dan deagglomeration oleh ultrasonikasi adalah hasil dari kavitasi Kavitasi.Saat mengekspos cairan ke ultrasound, gelombang suara yang menyebar ke cairan menghasilkan siklus tekanan tinggi dan tekanan rendah bergantian. Hal ini menyebabkan tekanan mekanis pada kekuatan tarik antara partikel individual. Ultrasonik kavitasi dalam cairan menyebabkan jet cairan kecepatan tinggi hingga 1000km / jam (sekitar 600mph). Jet semacam itu menekan cairan pada tekanan tinggi di antara partikel dan memisahkannya dari satu sama lain. Partikel yang lebih kecil dipercepat dengan jet cair dan bertabrakan dengan kecepatan tinggi. Hal ini membuat ultrasound menjadi alat yang efektif untuk pendispersian tetapi juga untuk Milling ukuran mikron dan sub partikel ukuran mikron.
Sebagai contoh, nanodiamonds (ukuran rata-rata sekitar 4nm) dan polistiren dapat didispersikan dalam sikloheksana untuk mendapatkan komposit khusus. Dalam penelitian mereka, Chipara dkk. (2010) telah menyiapkan komposit polistiren dan berlian nano, yang mengandung berlian nano dalam kisaran antara 0 dan 25% berat. Untuk mendapatkan dispersi yang merata, mereka menyonikasi larutan selama 60 menit dengan sonicator bertenaga 1000 watt Hielscher model UIP1000hd.
Pelajari lebih lanjut tentang deagregasi berlian nano ultrasonik!

Ultrasonikasi membantu Funksionalisasi dari Nanodiamonds

Untuk memfungsikan permukaan yang lengkap dari setiap partikel berukuran nano, permukaan partikel harus tersedia untuk reaksi kimia. Ini berarti diperlukan dispersi yang merata dan halus karena partikel yang terdispersi dengan baik dikelilingi oleh lapisan batas molekul yang tertarik ke permukaan partikel. Untuk mendapatkan gugus fungsi baru pada berlian nano’ permukaan, lapisan batas ini harus dipecahkan atau dihilangkan. Proses pemutusan dan penghilangan lapisan batas ini dapat dilakukan dengan ultrasonik.
USG diperkenalkan ke dalam cairan menghasilkan berbagai efek ekstrim seperti Kavitasi(Suslick 1998) Dengan faktor tegangan ini, gaya tarik menarik (misalnya gaya Van-der-Waals) dapat diatasi dan molekul fungsional dibawa ke permukaan partikel untuk difungsikan, misalnya berlian nano’ permukaan.

Skema 1: Grafik dari situ-deagglomeration dan permukaan funksionalisasi dari nanodiamonds (Liang 2011)

Percobaan dengan mengggunakan Bead-Assisted Sonic Disintegration (BASD) telah menunjukkan hasil yang juga menjanjikan untuk funksinalisasi permukaan nanodiamond. Dengan demikian, butiran (misalnya butiran keramik berukuran mikro seperti butiran ZrO2) telah digunakan untuk menegakkan ultrasonik. dari kekuatan ke partikel nanodiamond. Deagglomeration terjadi karena tumbukan interparticular antara partikel nanodiamond dan butiran ZrO₂ .
Karena ketersediaan partikel yang lebih baik’ permukaan, untuk reaksi kimia seperti reduksi Boran, arilasi atau silanisasi, pra-perawatan ultrasonik atau BASD (disintegrasi sonik berbantuan manik) untuk tujuan pendispersi sangat disarankan. Dengan ultrasonik Dispersing / Penyebaran dan deagglomeration reaksi kimia dapat dilakaukan lebih lengkap.