Sintesi ad ultrasuoni di nanodiamanti

• Grazie alla sua intensa forza cavitazionale, gli ultrasuoni di potenza sono una tecnica promettente per produrre diamanti di dimensioni micron e nano dalla grafite.
• I diamanti micro e nano-cristallini possono essere sintetizzati sonicando una sospensione di grafite in un liquido organico a pressione atmosferica e temperatura ambiente.
• Gli ultrasuoni sono anche uno strumento utile per la post-elaborazione dei nano diamanti sintetizzati, in quanto gli ultrasuoni disperdono, deagglomerano e funzionalizzano le nano particelle in modo molto efficace.

Ultrasuoni per il trattamento del nanodiamante

I nanodiamanti (chiamati anche diamanti da detonazione (DND) o diamanti ultradispersi (UDD)) sono una forma speciale di nanomateriali di carbonio che si distinguono per le loro caratteristiche uniche - come la loro reticolo struttura, la sua grande superficiecosì come unico ottico e magnetico proprietà - e applicazioni eccezionali. Le proprietà delle particelle ultradisperse rendono questi materiali composti innovativi per la creazione di nuovi materiali con funzioni straordinarie. Le dimensioni delle particelle di diamante nella fuliggine sono di circa 5 nm.

In presenza di forze intense, come la sonicazione o la detonazione, la grafite può trasformarsi in diamante.

Nanodiamanti sintetizzati a ultrasuoni

La sintesi dei diamanti è un importante campo di ricerca che riguarda interessi scientifici e commerciali. Il processo comunemente utilizzato per la sintesi di particelle di diamante microcristallino e nano-cristallino è la tecnica ad alta pressione e alta temperatura (HPHT). Con questo metodo, la pressione di processo necessaria di decine di migliaia di atmosfere e le temperature di oltre 2000K sono generate per produrre la maggior parte della fornitura mondiale di diamante industriale. Per la trasformazione della grafite in diamante, in genere sono necessarie pressioni e temperature elevate e vengono utilizzati catalizzatori per aumentare la resa del diamante.
Questi requisiti necessari per la trasformazione possono essere generati in modo molto efficiente con l'uso di Ultrasuoni ad Alta Potenza (= ultrasuoni a bassa frequenza e alta intensità):

Cavitazione ad ultrasuoni

Gli ultrasuoni nei liquidi provocano effetti localmente molto estremi. Quando si sonicano i liquidi ad alta intensità, le onde sonore che si propagano nel mezzo liquido danno luogo a cicli alternati di alta pressione (compressione) e bassa pressione (rarefazione), con velocità che dipendono dalla frequenza. Durante il ciclo di bassa pressione, le onde ultrasoniche ad alta intensità creano piccole bolle o vuoti nel liquido. Quando le bolle raggiungono un volume tale da non poter più assorbire energia, collassano violentemente durante un ciclo di alta pressione. Questo fenomeno è definito cavitazione. Durante l'implosione si raggiungono localmente temperature (circa 5.000K) e pressioni (circa 2.000atm) molto elevate. L'implosione della bolla di cavitazione provoca anche getti di liquido con velocità fino a 280 m/s. (Suslick 1998). (Suslick 1998) È evidente che le micro e le nano-cristallino I diamanti possono essere sintetizzati nel campo degli ultrasuoni. cavitazione.

Procedura a ultrasuoni per la sintesi di nanodiamanti

Di fatto, lo studio di Khachatryan et al. (2008) dimostra che i microcristalli di diamante possono essere sintetizzati anche mediante ultrasuoni di una sospensione di grafite in liquido organico a pressione atmosferica e temperatura ambiente. Come liquido di cavitazione è stata scelta una formula di oligomeri aromatici, grazie alla sua bassa pressione di vapore saturo e alla sua elevata temperatura di ebollizione. In questo liquido, la speciale polvere di grafite pura – con particelle dell'ordine di 100-200 µm - è stato sospeso. Negli esperimenti di Kachatryan et al. il rapporto di peso solido-fluido era di 1:6, la densità del fluido di cavitazione era di 1,1g cm^-3 a 25°C. L'intensità massima degli ultrasuoni nel sonoreattore è stata di 75-80W cm^-2 corrispondente a un'ampiezza di pressione sonora di 15-16 bar.
È stata raggiunta una conversione del 10% circa da grafite a diamante. I diamanti erano quasi mono-disperso con una dimensione molto nitida e ben progettata, nell'intervallo di 6 o 9μm ± 0,5μm, con cubica, cristallino morfologia e elevata purezza.

Immagini SEM dei diamanti sintetizzati a ultrasuoni: le immagini (a) e (b) mostrano la serie di campioni 1, (c) e (d) la serie di campioni 2. [Khachatryan et al. 2008].

Gli costi di micro e nanodiamanti prodotti con questo metodo è stimata essere competitivo con il processo ad alta pressione e alta temperatura (HPHT). Ciò rende gli ultrasuoni un'alternativa innovativa per la sintesi di micro e nano-diamanti (Khachatryan et al. 2008), soprattutto perché il processo di produzione dei nanodiamanti può essere ottimizzato da ulteriori indagini. Molti parametri come ampiezza, pressione, temperatura, fluido di cavitazione e concentrazione devono essere esaminati accuratamente per scoprire il punto di forza della sintesi di nanodiamanti a ultrasuoni.
Grazie ai risultati ottenuti nella sintesi dei nanodiamanti, sono stati generati ulteriori ultrasuoni. cavitazione offre il potenziale per la sintesi di altri importanti composti, come il nitruro di boro cubico, il nitruro di carbonio, ecc.
Inoltre, sembra possibile creare nanofili e nanorodi di diamante da nanotubi di carbonio a parete multipla (MWCNT) sotto irradiazione ultrasonica. I nanofili di diamante sono analoghi monodimensionali del diamante sfuso. Grazie al suo elevato modulo elastico, al rapporto forza-peso e alla relativa facilità di funzionalizzazione delle sue superfici, il diamante si è rivelato il materiale ottimale per i progetti nanomeccanici. (Sun et al. 2004)

Dispersione a ultrasuoni di nanodiamanti

Come già descritto, la deagglomerazione e la distribuzione uniforme delle dimensioni delle particelle nel mezzo sono essenziali per sfruttare con successo le caratteristiche uniche dei nanodiamanti.
dispersione e deagglomerazione con l'ultrasuonoterapia sono il risultato di una cavitazione. Quando si espongono i liquidi agli ultrasuoni, le onde sonore che si propagano nel liquido provocano cicli alternati di alta e bassa pressione. In questo modo si applica uno stress meccanico alle forze di attrazione tra le singole particelle. La cavitazione ultrasonica nei liquidi provoca getti di liquido ad alta velocità, fino a 1000 km/h (circa 600 mph). Questi getti spingono il liquido ad alta pressione tra le particelle e le separano l'una dall'altra. Le particelle più piccole vengono accelerate dai getti di liquido e si scontrano ad alta velocità. Ciò rende gli ultrasuoni un mezzo efficace per la dispersione ma anche per la fresatura di particelle di dimensioni micron e submicron.
Ad esempio, i nanodiamanti (dimensione media di circa 4 nm) e il polistirene possono essere dispersi in cicloesano per ottenere un composito speciale. Nel loro studio, Chipara et al. (2010) hanno preparato compositi di polistirene e nanodiamanti, contenenti nanodiamanti in un range compreso tra lo 0 e il 25% in peso. Per ottenere un'omogenea dispersionehanno sonicato la soluzione per 60 minuti con il metodo Hielscher. UIP1000hd (1kW).

Funzionalizzazione dei nanodiamanti assistita da ultrasuoni

Per la funzionalizzazione dell'intera superficie di ogni particella di dimensioni nanometriche, la superficie della particella deve essere disponibile per la reazione chimica. Ciò significa che è necessaria una dispersione uniforme e fine, poiché le particelle ben disperse sono circondate da uno strato limite di molecole attratte dalla superficie delle particelle. Per ottenere nuovi gruppi funzionali sulla superficie dei nanodiamanti, questo strato limite deve essere rotto o rimosso. Questo processo di rottura e rimozione dello strato limite può essere eseguito con gli ultrasuoni.
Gli ultrasuoni introdotti in un liquido generano vari effetti estremi, come ad esempio cavitazioneCon questi fattori di stress le forze di attrazione (ad esempio le forze di Van-der-Waals) possono essere superate e le molecole funzionali vengono trasportate sulla superficie della particella per funzionalizzarla, ad esempio sulla superficie dei nanodiamanti.

Schema 1: Grafico della deagglomerazione in situ e della funzionalizzazione superficiale dei nanodiamanti (Liang 2011)

Gli esperimenti con il trattamento Bead-Assisted Sonic Disintegration (BASD) hanno mostrato risultati promettenti anche per la funzionalizzazione superficiale dei nanodiamanti. In questo caso, sono state utilizzate delle microsfere (ad esempio microsfere ceramiche come quelle di ZrO2) per rafforzare la disintegrazione ad ultrasuoni. cavitazionale sulle particelle di nanodiamante. La deagglomerazione avviene a causa della collisione interparticellare tra le particelle di nanodiamante e lo ZrO₂ perline.
A causa della migliore disponibilità della superficie delle particelle, per le reazioni chimiche come la riduzione del borano, l'arilazione o la silanizzazione, è altamente raccomandato un pretrattamento ad ultrasuoni o BASD (bead-assisted sonic disintegration) a scopo disperdente. Con gli ultrasuoni la dispersione e deagglomerazione la reazione chimica può procedere in modo molto più completo.