ナノダイヤモンドの超音波合成

• 強力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やナノサイズのダイヤモンドを生成する有望な技術である。
• マイクロおよびナノ結晶ダイヤモンドは、有機液体中のグラファイト懸濁液を大気圧、室温で超音波処理することで合成できる。
• 超音波はまた、合成したナノダイヤモンドの後処理にも役立つツールである。超音波はナノ粒子を非常に効果的に分散、凝集を解除し、機能化させるからである。

ナノダイヤモンド加工のための超音波技術

ナノダイヤモンド（爆轟ダイヤモンド（DND）または超分散ダイヤモンド（UDD）とも呼ばれる）は、格子構造、大きな表面、ユニークな光学的・磁気的特性などのユニークな特性と卓越した機能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ある。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素材を創造するための革新的な化合物となる。すすに含まれるダイヤモンド粒子の大きさは約5nm。

超音波や爆轟のような強い力が加わると、グラファイトはダイヤモンドに変化する。

超音波合成ナノダイヤモンド

ダイヤモンドの合成は、科学的にも商業的にも重要な研究分野である。微結晶およびナノ結晶ダイヤモンド粒子の合成には、一般的に高圧高温法（HPHT法）が用いられている。この方法では、数万気圧の圧力と2000K以上の温度が必要とされ、工業用ダイヤモンドの世界的な供給の大部分を生産している。グラファイトからダイヤモンドへの変換には、一般に高圧と高温が必要であり、ダイヤモンドの収率を高めるために触媒が使用される。
変身に必要なこれらの要件は、以下を使用することで非常に効率的に生成することができる。 ハイパワー超音波 (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効果をもたらします。液体を高強度で超音波処理する場合、液体中に伝播する音波は、周波数によって異なるが、高圧（圧縮）と低圧（希薄化）を交互に繰り返すことになる。低圧サイクルの間、高強度の超音波が液体中に小さな真空の気泡または空隙を作る。気泡がエネルギーを吸収できない体積に達すると、高圧サイクルの間に激しく崩壊する。この現象は キャビテーション.爆縮の間、局所的に非常に高い温度（約5,000K）と圧力（約2,000気圧）に達する。また、キャビテーション気泡の爆縮により、最大速度280m/sの液体噴流が発生する(Suslick 1998)。(Suslick 1998)マイクロおよび ナノ結晶 ダイヤモンドは超音波の分野で合成されるかもしれない。 キャビテーション.

ナノダイヤモンドの超音波合成法

Khachatryanら(2008)の研究によると、ダイヤモンド微結晶は、有機液体中のグラファイト懸濁液を大気圧、室温で超音波処理することによっても合成できる。キャビテーション液として、飽和蒸気圧が低く沸騰温度が高い芳香族オリゴマーが選ばれた。この液体中に、特殊な純黒鉛粉末 – の粒子が懸濁されている。Kachatryanらの実験では、固体と流体の重量比は1:6であり、キャビテーション流体の密度は1.1g cmであった。^-3 を25℃で測定した。ソノリアクター内の最大超音波強度は75-80W cmである。^-2 15～16バールの音圧振幅に相当する。
グラファイトからダイヤモンドへの転換率は約10％に達した。ダイヤモンドはほぼ 単分散 μm±0.5μmの範囲にあり、立方体である、 結晶性 形態学と 高純度.

超音波合成ダイヤモンドのSEM像：写真(a)と(b)はシリーズ1、(c)と(d)はシリーズ2。[Khachatryan et al.］

について 費用 この方法によって生成されるマイクロダイヤモンドとナノダイヤモンドは、次のように推定される。 負けず嫌い を高圧高温(HPHT)プロセスで行うことができる。このため、超音波はマイクロ・ナノダイヤモンド合成のための革新的な代替手段となる（Khachatryan et al.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、濃度といった多くのパラメーターを正確に調べる必要がある。
ナノダイヤモンドの合成で達成された結果により、さらに超音波で生成された キャビテーション は、立方晶窒化ホウ素や窒化炭素など、他の重要な化合物の合成の可能性を秘めている（Khachatryan et al.）
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ーやナノロッドを作ることも可能なようだ。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体である。ダイヤモンドは、弾性率が高く、強度対重量比が高く、表面の機能化が比較的容易であるため、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る（Sun et al. (Sun et al.）

ナノダイヤモンドの超音波分散

すでに述べたように、媒体中の脱凝集と均一な粒度分布は、ナノダイヤモンドをうまく利用するために不可欠である。’ ユニークな特徴がある。
分散 そして デアグロメレーション 超音波処理は、超音波の結果である。 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って、高圧と低圧が交互に繰り返される。これにより、個々の粒子間の吸引力に機械的ストレスが加わる。液体中の超音波キャビテーションは、最高時速1000km（約600mph）の高速液体ジェットを発生させる。このようなジェットは粒子間に高圧で液体を押し付け、粒子同士を分離させる。小さな粒子は液体ジェットとともに加速され、高速で衝突する。このため、超音波は分散だけでなく、粒子を分離するのにも効果的な手段となる。 ミーリング 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（平均粒径約4nm）とポリスチレンをシクロヘキサン中に分散させ、特殊な複合体を得ることができる。Chiparaら(2010)は、ポリスチレンとナノダイヤモンドの複合材料を調製し、ナノダイヤモンドを0～25％の範囲で含有させた。均一な分散を得るために、彼らはHielscher社の1000ワットの強力なソニケーターモデルUIP1000hdで溶液を60分間超音波処理した。
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超音波アシストによるナノダイヤモンドの機能化

ナノサイズ粒子の表面全体を機能化するためには、粒子表面が化学反応に利用できなければならない。つまり、十分に分散された粒子は、粒子表面に引き寄せ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となる。ナノダイヤモンドに新たな官能基を付与するには’ の表面では、この境界層を破壊または除去する必要がある。この境界層の破壊と除去のプロセスは、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す。 キャビテーションこの応力因子によって、吸引力（例えばファンデルワールス力）を克服し、機能性分子を粒子表面に運んで機能化することができる（例えばナノダイヤモンド）。’ 表面だ。

スキーム1: ナノダイヤモンドのその場凝集と表面官能基化のグラフィック (Liang 2011)

ビーズ支援音波分解（BASD）処理による実験でも、ナノダイヤモンドの表面機能化に有望な結果が得られている。これにより、ビーズ（例えば、ZrO2ビーズのようなマイクロサイズのセラミックビーズ）を使用して、ナノダイヤモンドの超音波崩壊を促進することができました。 キャビテーショナル の力がナノダイヤモンド粒子に加わる。脱凝集は、ナノダイヤモンド粒子とZrO₂ ビーズだ。
粒子が入手しやすくなったため’ ボラン還元、アリール化、シラン化などの化学反応では、分散を目的とした超音波またはBASD（ビーズアシスト超音波分解）前処理を行うことを強く推奨する。超音波 分散 そして デアグロメレーション 化学反応はより完全に進行する。