ナノダイヤモンドの超音波合成

• その強烈なキャビテーション力により、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性ダイヤモンドは、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。
• 超音波はまた、超音波処理がナノ粒子を分散させ、解凝集し、そして非常に効果的に官能化するので、合成されたナノダイヤモンドの後処理のための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)とも呼ばれる)は、カーボンナノ材料の特殊な形態であり、次のような独自の特性が特徴です。 格子 構造、その大きい 表面、およびユニーク オプティカル そして マグネチック 特性 - そして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創製するための革新的な化合物となっています。すす中のダイヤモンド粒子のサイズは約5nmです。

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換することができます。

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を超える温度が生成され、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ためには、一般に高圧・高温が必要であり、ダイヤモンドの収率を高めるために触媒が用いられます。
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。高強度で液体を超音波処理すると、液体媒体に伝播する音波により、周波数に応じた速度で高圧(圧縮)サイクルと低圧(希薄化)サイクルが交互に発生します。低圧サイクルでは、高強度の超音波が液体中に小さな真空気泡または空隙を生成します。気泡がエネルギーを吸収できなくなった体積に達すると、高圧サイクル中に気泡は激しく崩壊します。この現象は、 キャビテーション.爆縮時には、非常に高温(約5,000K)と圧力(約2,000気圧)が局地的に到達します。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)それは明らかです micro- と ナノ結晶 ダイヤモンドは超音波の分野で合成することができます キャビテーション.

ナノダイヤモンドの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の超音波処理によっても合成できることを示しています。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、キャビテーション流体密度は 1.1g cm でした^-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。
これは、約10%のグラファイトからダイヤモンドへの変換を達成しました。ダイヤモンドはほぼ モノ分散 6または9μmから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±、立方体、 結晶 形態学と 高純度.

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。[ハチャトリアン他 2008]

ザ コスト この方法によって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。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は、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を正確に調べる必要があります。
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 キャビテーション 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であると考えられる。ダイヤモンドナノワイヤーは、バルクダイヤモンドの一次元類似物です。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ことから、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

すでに述べたように、解凝集と培地中の均一な粒度分布は、ナノダイヤモンドを成功裏に利用するために不可欠です’ ユニークな特性。
分散 そして 解凝集 超音波処理による超音波の結果です キャビテーション.液体を超音波にさらすと、液体に伝播する音波により、高圧サイクルと低圧サイクルが交互に発生します。これにより、個々の粒子間の引き寄せ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。このようなジェットは、粒子間で液体を高圧で押し込み、粒子を互いに分離します。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)とポリスチレンをシクロヘキサンに分散させて、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の (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全表面を官能基化するためには、粒子の表面が化学反応に利用可能でなければなりません。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。ナノダイヤモンドに新たな官能基を持たせるために’ surfaceの場合、この境界層を壊すか削除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 キャビテーション(Suslick 1998) このストレス要因により、引き寄せ力 (ファンデルワールス力など) を克服し、機能分子 (ナノダイヤモンドなど) を粒子の表面に運んで機能化することができます’ 表面。

スキーム1:ナノダイヤモンドのin situ-deagglomerationと表面機能化の図(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きました 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発生します₂ ビーズ。
粒子の利用可能性が優れているため’ 表面、ボラン還元、アリール化またはシラン化などの化学反応のために、分散目的のための超音波または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 そして 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。