Tecnologia ad ultrasuoni Hielscher

Sintesi ultrasonica dei nanodiamanti

  • Grazie alla sua intensa forza cavitazionale, l'ultrasuono di potenza è una tecnica promettente per produrre dalla grafite diamanti di dimensioni micron e nanometriche.
  • I diamanti micro e nano cristallini possono essere sintetizzati sonicating una sospensione di grafite in liquido organico a pressione atmosferica e temperatura ambiente.
  • L'ultrasuoni è anche uno strumento utile per la post-elaborazione dei nano diamanti sintetizzati, in quanto l'ultrasonicazione disperde, deagglomerati e funzionalizza nano particelle molto efficaci.

Ultrasuoni per il trattamento con nanodiamante

I nanodiamanti (chiamati anche diamanti a detonazione (DND) o diamanti ultra dispersi (UDDD)) sono una forma speciale di nanomateriali al carbonio caratterizzati da caratteristiche uniche, come ad esempio la sua graticcio struttura, la sua grande risalire in superficiecosì come unico nel suo genere ottico e magnetico proprietà - e applicazioni eccezionali. Le proprietà delle particelle ultra disperse rendono questi materiali composti innovativi per la creazione di nuovi materiali con funzioni straordinarie. La dimensione delle particelle di diamante nella fuliggine è di circa 5 nm.

Sintesi ultrasonica dei nanodiamanti

Sotto forze intense, come la sonicazione o la detonazione, la grafite può essere trasformata in diamante.

Nanodiamanti sintetizzati ad ultrasuoni

La sintesi dei diamanti è un importante campo di ricerca per quanto riguarda gli interessi scientifici e commerciali. Il processo comunemente usato per la sintesi di particelle di diamante microcristallino e nanocristallino è la tecnica ad alta pressione-alta temperatura (HPHT). Con questo metodo, la pressione di processo richiesta di decine di migliaia di atmosfere e 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 generale sono necessarie alte pressioni e temperature elevate, e i catalizzatori sono utilizzati per aumentare la resa del diamante.
Questi requisiti necessari per la trasformazione possono essere generati in modo molto efficiente dall'uso di Ultrasuoni ad Alta Potenza (= ultrasuoni a bassa frequenza e ad alta intensità):

Cavitazione ad ultrasuoni

Gli ultrasuoni nei liquidi causano localmente effetti molto estremi. Nel caso di liquidi sonori ad alta intensità, le onde sonore che si propagano nel liquido si traducono in cicli alternati di alta (compressione) e bassa pressione (rarefazione), con frequenze variabili a seconda della frequenza. Durante il ciclo a bassa pressione, onde ultrasoniche ad alta intensità creano piccole bolle di vuoto o vuoti nel liquido. Quando le bolle raggiungono un volume al quale non possono più assorbire energia, collassano violentemente durante un ciclo ad alta pressione. Questo fenomeno è chiamato cavitazione. Durante l'implosione si raggiungono localmente temperature (ca. 5.000K) e pressioni (ca. 2.000atm) molto elevate. L'implosione della bolla di cavitazione produce anche getti di liquido fino a 280m/s di velocità. (Suslick 1998) E' ovvio che la micro e la micro e la nanocristallino diamanti possono essere sintetizzati nel campo degli ultrasuoni cavitazione.

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Procedura ad ultrasuoni per la sintesi dei nanodiamanti

Di fatto, lo studio di Khachatryan et al. (2008) mostra che i microcristalli diamantati possono anche essere sintetizzati dall'ultrasonicazione di una sospensione di grafite in un liquido organico a pressione atmosferica e temperatura ambiente. Come fluido di cavitazione, è stata scelta una formula di oligomeri aromatici grazie alla bassa pressione di vapore saturo e all'elevata temperatura di ebollizione. In questo liquido, la speciale polvere di grafite pura speciale – con particelle nell'intervallo 100-200 µm - è stato sospeso. Negli esperimenti di Kachatryan et al., il rapporto di peso del fluido solido-fluido era 1:6, la densità del fluido di cavitazione era 1.1g cm.-3 a 25°C. L'intensità ultrasonica massima nel sonoreattore è stata di 75-80W cm-2 corrispondente ad un'ampiezza di pressione sonora di 15-16 bar.
È stata ottenuta una conversione da grafite-diamante a grafite del 10% circa. I diamanti erano quasi monodisperso con dimensioni molto nette e ben progettate nell'intervallo di 6 o 9μm ± 0,5μm, con dimensioni cubiche, cristallina morfologia e elevata purezza.

Diamanti sintetizzati ad ultrasuoni (immagini SEM): gli ultrasuoni ad alta potenza forniscono l'energia necessaria per indurre i nanodiamanti.' sintassi

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

Gli costi di micro e nanodiamanti prodotti con questo metodo è stimato essere agonistica con il processo ad alta pressione-alta temperatura (HPHT). Questo fa degli ultrasuoni un'alternativa innovativa per la sintesi di micro- e nano-diamanti (Khachatryan et al. 2008), soprattutto perché il processo di produzione dei nano-diamanti può essere ottimizzato da ulteriori indagini. Molti parametri come ampiezza, pressione, pressione, temperatura, fluido di cavitazione e concentrazione devono essere esaminati con precisione per scoprire il punto dolce della sintesi ultrasonica dei nanodiamanti.
Con i risultati ottenuti nella sintesi di nanodiamanti, ulteriormente generato ad ultrasuoni ulteriori cavitazione offre il potenziale per la sintesi di altri importanti composti, come il nitruro di boro cubico, il nitruro di carbonio, ecc. (Khachatryan et al. 2008)
Inoltre, sembra possibile creare nanofili e nanorods di diamante da nanotubi di carbonio a pareti multiple (MWCNTs) sotto irradiazione ultrasonica. I nanofili di diamante sono analoghi unidimensionali del diamante sfuso. Grazie all'elevato modulo elastico, al rapporto forza-peso e alla relativa facilità con cui le sue superfici possono essere funzionalizzate, il diamante si è rivelato il materiale ottimale per i progetti nanomeccanici. (Sun et al. 2004)

Dispersione ultrasonica dei nanodiamanti

Come già descritto, la deagglomerazione e la distribuzione granulometrica uniforme nel mezzo sono essenziali per il successo dello sfruttamento delle caratteristiche uniche dei nanodiamanti.
dispersione e Deagglomerato da ultrasuoni sono il risultato di ultrasuoni cavitazione. Quando si espongono i liquidi agli ultrasuoni, le onde sonore che si propagano nel liquido danno luogo a cicli alternati di alta e bassa pressione. In questo modo si applica una sollecitazione meccanica sulle forze di attrazione tra le singole particelle. La cavitazione ultrasonica nei liquidi provoca getti di liquidi ad alta velocità fino a 1000 km/h (circa 600 mph). Tali getti pressano il liquido ad alta pressione tra le particelle e li separano l'uno dall'altro. Le particelle più piccole vengono accelerate con i getti di liquido e si scontrano ad alta velocità. Questo rende gli ultrasuoni un mezzo efficace per la dispersione, ma anche per l'eliminazione degli ultrasuoni. Fresatura di particelle di dimensioni inferiori al micron e di dimensioni inferiori al micron.
Ad esempio, i nanodiamanti (dimensione media di circa 4nm) e il polistirolo possono essere dispersi in cicloesano per ottenere uno speciale composito. Nel loro studio, Chipara et al. (2010) hanno preparato compositi di polistirolo e nanodiamanti, contenenti nanodiamanti in una gamma tra lo 0 e il 25% in peso. Per ottenere un'immagine uniforme dispersionehanno sonicato la soluzione per 60 minuti con Hielscher's UIP1000hd (1kW).

Funzionalizzazione ultrasonicamente assistita dei nanodiamanti

Per la funzionalizzazione della superficie completa 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 della particella. Per ottenere nuovi gruppi funzionali alla superficie dei nanodiamanti, questo strato limite deve essere rotto o rimosso. Questo processo di rottura e rimozione dello strato limite può essere eseguito mediante ultrasuoni.
Gli ultrasuoni introdotti nel liquido generano vari effetti estremi quali cavitazioneIn questo modo è possibile raggiungere temperature molto elevate fino a 2000K e getti di liquido fino a 1000km/ora. (Suslick 1998) Grazie a questi fattori di stress è possibile superare le forze di attrazione (ad es. forze Van-der-Waals) e le molecole funzionali vengono portate alla superficie della particella per funzionalizzarsi, ad es. la superficie dei nanodiamanti.

Under powerful ultrasonic irradiation (e.g. with Hielscher's UIP2000hdT) it becomes possible to synthesis, deagglomerate and functionalize nanodiamonds efficiently.

Schema 1: Grafico del deagglomerato in situ e funzionalizzazione superficiale dei nanodiamanti (Liang 2011)

Gli esperimenti con il trattamento BASD (Bead-Assisted Sonic Disintegration) hanno dato risultati promettenti anche per la funcionalizzazione superficiale dei nanodiamanti. In tal modo, perline (ad esempio, perline di ceramica di dimensioni ridotte come le perline ZrO2) sono stati utilizzati per far rispettare gli ultrasuoni. cavitazionale forze sulle particelle di nanodiamante. Il deagglomerato si verifica a causa della collisione interparticolare tra le particelle di nanodiamante e lo ZrO2 perline.
Grazie alla migliore disponibilità della superficie delle particelle, per reazioni chimiche come la riduzione di Boran, l'arilazione o la silanizzazione, è altamente raccomandato un pre-trattamento ad ultrasuoni o BASD (disintegrazione sonica assistita da microsfere) a scopo disperdente. Da ultrasuoni la dispersione e Deagglomerato la reazione chimica può procedere in modo molto più completo.

Quando gli ultrasuoni ad alta potenza e a bassa frequenza vengono introdotti in un mezzo liquido, si genera la cavitazione.

La caviatazione ad ultrasuoni si traduce in differenziali di temperatura e pressione estremi e getti di liquidi ad alta velocità. In questo modo, gli ultrasuoni di potenza sono un metodo di lavorazione di successo per applicazioni di miscelazione e fresatura.

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Letteratura/riferimenti

  • Chipara, A. C. C. et al...: Proprietà termiche delle particelle di nanodiamante disperse nel polistirolo. HESTEC 2010.
  • Nanodiamanti come sistema di distribuzione della droga: Applicazione e prospettive. In J Appl Pharm Sci 01/06, 2011; pp. 29-39.
  • Khachatryan, A. Kh. et al: Trasformazione da grafite a diamante indotta dalla cavitazione ultrasonica. Dentro: Diamante & Materiali correlati 17, 2008; pp931-936.
  • Krueger, A.: La struttura e la reattività del diamante su scala nanometrica. Dentro: J Mater Chem 18, 2008; pp. 1485-1492.
  • Liang, Y..: Deagglomerierung und Oberflächenfunktionalisierung von Nanodiamant mittels thermochemischer und mechanochemischer Methoden. Dissertazione Julius-Maximilian-Universität Würzburg 2011.
  • Monodisperso singolo nanodiamante monodisperso singolo particolato. Dentro: Pure Appl Chem 80/7, 2008; pp. 1365-1379.
  • Pramatarova, L. et al: Il vantaggio dei compositi polimerici con particelle di nanodiamante di detonazione per applicazioni mediche. Dentro: Sulla biomimetica; pp. 298-320.
  • Sun, L.; Gong, J.; Zhu, D.; Zhu, Z.; He, S.: Diamond Nanorods from Carbon Nanotubes. Dentro: Materiali avanzati 16/2004. pp. 1849-1853.
  • Suslick, K.S.: Kirk-Othmer Enciclopedia della tecnologia chimica. Quarta elementare. J. Wiley & Figli: New York; 26, 1998; pp. 517-541.

Nanodiamanti – Uso e applicazioni

I grani di nanodiamante sono instabili a causa del loro potenziale di zeta. Di conseguenza, essi tendono fortemente a formare aggregati. Un'applicazione comune dei nanodiamanti è l'uso in abrasivi, utensili da taglio e lucidatura e dissipatori di calore. Un altro uso potenziale è l'applicazione dei nanodiamanti come supporto farmaceutico per i componenti farmaceutici attivi (cfr. Pramatarova). Da ultrasuoni, in primo luogo i nanodiamanti possono essere sintetizzati dalla grafite e in secondo luogo, i nanodiamanti che tendono pesantemente all'agglomerazione possono essere uniformemente dispersi in mezzi liquidi (ad esempio per formulare un agente lucidante).