ナノダイヤモンドの超音波合成

  • その強いキャビテーション力のために、パワー超音波はグラファイトからミクロンおよびナノサイズのダイヤモンドを製造するための有望な技術です。
  • マイクロ結晶およびナノ結晶ダイヤモンドは、大気圧および室温で有機液体中のグラファイト懸濁液を超音波処理して合成することができる。
  • 超音波は、超音波処理がナノ粒子を分散させ、解凝集し、そして官能化させるので、合成されたナノダイヤモンドの後処理にも有用なツールである。

ナノダイヤモンド処理のための超音波

ナノダイヤモンド(デトネーションダイヤモンド(DND)または超分散ダイヤモンド(UDD)とも呼ばれます)は、次のような独自の特性によって区別される特殊な形態のカーボンナノ材料です。 格子 構造、その大きい surface、およびユニーク オプティカル and マグネチック 特性–および優れたアプリケーション。超分散粒子の特性により、これらの材料は、並外れた機能を持つ新しい材料を作成するための革新的な化合物になります。すす中のダイヤモンド粒子のサイズは約5nmです。

ナノダイヤモンドの超音波合成

超音波処理や爆発などの強い力の下で、グラファイトはダイヤモンドに変わることができます。

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超音波合成ナノダイヤモンド

ダイヤモンドの合成は、科学的および商業的利益に関する重要な研究分野です。微結晶およびナノ結晶ダイヤモンド粒子の合成に一般的に使用されるプロセスは、高圧高温(HPHT)技術です。この方法により、数万気圧の必要なプロセス圧力と2000K以上の温度が発生し、工業用ダイヤモンドの世界的な供給の主要部分が生産されます。グラファイトをダイヤモンドに変換するには、一般に高圧と高温が必要であり、触媒を使用してダイヤモンドの収率を高めます。
変換に必要なこれらの要件は、 高出力超音波 (=低周波、高強度超音波):

超音波キャビテーション

液体中の超音波は局所的に非常に極端な影響を引き起こします。液体を高強度で超音波処理する場合、液体媒体に伝播する音波は、周波数に応じて、高圧(圧縮)サイクルと低圧(希薄化)サイクルを交互に繰り返します。低圧サイクル中、高強度の超音波は液体中に小さな真空気泡またはボイドを生成します。気泡がエネルギーを吸収できなくなる体積に達すると、高圧サイクル中に激しく崩壊します。この現象は cavitation.爆縮の間、非常に高い温度(約5,000K)と圧力(約2,000気圧)が局所的に達する。キャビテーション気泡の爆縮は、最大280m/sの速度の液体ジェットももたらします。(サスリック1998)マイクロと ナノ結晶 ダイヤモンドは超音波の分野で合成できます cavitation.

このビデオでは、パージ可能なキャビネット内でインライン操作するための2キロワットの超音波システムを紹介します。ヒールシャーは、化学工業、製薬、化粧品、石油化学プロセス、溶媒ベースの抽出プロセスなど、ほぼすべての産業に超音波装置を供給しています。このパージ可能なステンレス製キャビネットは、危険場所での操作用に設計されています。この目的のために、密閉されたキャビネットは、可燃性ガスや蒸気がキャビネットに入るのを防ぐために、窒素または新鮮な空気で顧客がパージすることができます。

2x 1000ワット超音波装置、危険区域に設置するためのパージ可能なキャビネットに

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ナノダイヤモンド合成のための超音波手順

事実上、Khachatryanらの研究(2008)は、ダイヤモンドの微結晶が大気圧および室温で有機液体中のグラファイト懸濁液の超音波処理によっても合成され得ることを示している。キャビテーション流体として、飽和蒸気圧が低く、沸点が高いため、芳香族オリゴマーの処方が選択されています。この液体では、特別な純粋なグラファイト粉末 – 100〜200μmの範囲の粒子で–懸濁されています。Kachatryanらの実験では、固液重量比は1:6、キャビテーション液密度は1.1g cmであった-3 25°Cで。 ソノリアクター内の最大超音波強度は75〜80W cmであった-2 15-16バールの音圧振幅に対応します。
約10%のグラファイトからダイヤモンドへの変換が達成されました。ダイヤモンドはほぼ 単分散 6または9μm±0.5μmの範囲の非常にシャープで適切に設計されたサイズで、立方体、 crystalline 形態学と 高純度.

超音波合成ダイヤモンド(SEM画像):高出力超音波は、ナノダイヤモンドを誘導するのに必要なエネルギーを提供します' シンセシス

超音波合成されたダイヤモンドのSEM画像:写真(a)と(b)はサンプルシリーズ1、(c)と(d)はサンプルシリーズ2を示しています。[ハチャトリアンら 2008]

The コスト この方法で製造されたマイクロダイヤモンドおよびナノダイヤモンドのうち、 競争 高圧高温(HPHT)プロセスで。これにより、超音波はマイクロダイヤモンドおよびナノダイヤモンドの合成のための革新的な代替手段となり(Khachatryan et al.2008)、特にナノダイヤモンドの製造プロセスはさらなる調査によって最適化できます。振幅、圧力、温度、キャビテーション流体、および濃度などの多くのパラメータは、超音波ナノダイヤモンド合成のスイートスポットを発見するために正確に調べなければならない。
ナノダイヤモンドの合成で得られた結果により、さらに超音波で生成 cavitation 立方晶窒化ホウ素、窒化炭素などの他の重要な化合物の合成の可能性を提供します(Khachatryan et al.2008)
さらに、超音波照射下で多層カーボンナノチューブ(MWCNT)からダイヤモンドナノワイヤおよびナノロッドを作製することも可能と考えられる。ダイヤモンドナノワイヤーは、バルクダイヤモンドの1次元類似体です。ダイヤモンドは、その高い弾性率、強度対重量比、および表面を比較的容易に機能化できるため、ナノメカニカル設計に最適な材料であることがわかっています。 (Sun et al. 2004)

ナノダイヤモンドの超音波分散

すでに説明したように、培地中の解凝集と均一な粒度分布は、ナノダイヤモンドのユニークな特性をうまく利用するために不可欠です。
分散 and 解凝集 超音波処理による超音波の結果です cavitation.液体を超音波にさらすと、液体に伝播する音波により、高圧と低圧のサイクルが交互に繰り返されます。これにより、個々の粒子間の引き付け力に機械的ストレスがかかります。液体中の超音波キャビテーションは、最大1000km / hr(約600mph)の高速液体ジェットを引き起こします。そのようなジェットは、粒子間で液体を高圧で押し付け、それらを互いに分離する。小さな粒子は液体ジェットで加速され、高速で衝突します。これにより、超音波は分散だけでなく、分散にも効果的な手段になります。 製粉 ミクロンサイズとサブミクロンサイズの粒子の。
例えば、ナノダイヤモンド(平均サイズ約4nm)およびポリスチレンをシクロヘキサン中に分散させて、特殊な複合材料を得ることができる。彼らの研究では、Chiparaら(2010)は、0〜25%の重量の範囲のナノダイヤモンドを含むポリスチレンとナノダイヤモンドの複合材料を調製しました。偶数を取得するには 分散、彼らはヒールシャーの溶液で60分間溶液を超音波処理しました UIP1000hd (1kW)。

ナノダイヤモンドの超音波支援機能化

各ナノサイズ粒子の表面全体を官能基化するためには、粒子の表面が化学反応に利用できる必要があります。これは、十分に分散した粒子が粒子表面に引き付けられた分子の境界層に囲まれているため、均一で微細な分散が必要であることを意味します。ナノダイヤモンドの表面に新しい官能基を持たせるには、この境界層を破壊または除去する必要があります。境界層の破壊および除去のこのプロセスは、超音波によって行うことができる。
液体に導入された超音波は、次のようなさまざまな極端な効果を生み出します。 cavitation(Suslick 1998)この応力要因により、引力(ファンデルワールス力など)を克服し、機能性分子を粒子の表面に運んで機能化します。

強力な超音波照射下(例えば、ヒールシャーのUIP2000hdT)の下で、ナノダイヤモンドを効率的に合成、解凝集および官能基化することが可能になります。

スキーム1:ナノダイヤモンドのin situ-deagglomerationと表面官能基化の図(Liang 2011)

ビーズアシスト音波崩壊(BASD)処理の実験では、ナノダイヤモンドの表面機能化にも有望な結果が示されています。これにより、ビーズ(例えば、ZrO2ビーズなどのマイクロサイズのセラミックビーズ)が超音波を強化するために使用されている キャビテーション ナノダイヤモンド粒子に力がかかります。解凝集は、ナノダイヤモンド粒子とZrOとの間の種間衝突によって起こる2 ビーズ。
粒子の表面の利用可能性が高いため、ボラン還元、アリール化、シラン化などの化学反応には、分散目的で超音波またはBASD(ビーズアシスト音波崩壊)前処理を強くお勧めします。超音波による 分散 and 解凝集 化学反応ははるかに完全に進行することができます。

高出力、低周波の超音波を液体媒体に導入すると、キャビテーションが発生します。

超音波キャビテーションは、極端な温度と圧力の差と高速液体ジェットをもたらします。それによって、パワー超音波は、混合および粉砕用途のための成功した処理方法である。

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Literature/References

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ナノダイヤモンド – 用途と用途

ナノダイヤモンド粒子は、ゼータ電位のために不安定です。これにより、それらは凝集体を形成する傾向があります。ナノダイヤモンドの一般的な用途は、研磨剤、切削および研磨工具、ヒートシンクでの使用です。別の潜在的な用途は、医薬品有効成分の薬物担体としてのナノダイヤモンドの応用です(Pramatarovaを参照)。によって 超音波処理、第一に、ナノダイヤモンドはグラファイトから合成することができ、第二に、凝集する傾向が強いナノダイヤモンドは均一であり得る 散り散り 液体媒体に(例えば、研磨剤を配合するため)。

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