ნანობრილიანტების ულტრაბგერითი სინთეზი

• მისი ინტენსიური კავიტაციური ძალის გამო, დენის ულტრაბგერა არის პერსპექტიული ტექნიკა გრაფიტისგან მიკრონი და ნანო ზომის ალმასების წარმოებისთვის.
• მიკრო და ნანო-კრისტალური ბრილიანტები შეიძლება სინთეზირებული იყოს გრაფიტის სუსპენზიის გაჟღერებით ორგანულ სითხეში ატმოსფერულ წნევაზე და ოთახის ტემპერატურაზე.
• ულტრაბგერითი ასევე დამხმარე საშუალებაა სინთეზირებული ნანო ბრილიანტების შემდგომი დამუშავებისთვის, რადგან ულტრაბგერითი ანაწილებს, დეაგლომერაციას და ფუნქციონალიზებს ნანო ნაწილაკებს ძალიან ეფექტურად.

ულტრაბგერითი ნანობრილიანტის სამკურნალოდ

ნანობრილიანტები (ასევე უწოდებენ დეტონაციურ ბრილიანტებს (DND) ან ულტრადისპერსირებულ ბრილიანტებს (UDD)) არის ნახშირბადის ნანომასალების განსაკუთრებული ფორმა, რომელიც გამოირჩევა უნიკალური მახასიათებლებით – როგორიცაა მისი გისოსი სტრუქტურა, მისი დიდი ზედაპირი, ასევე უნიკალური ოპტიკური და მაგნიტური თვისებები - და განსაკუთრებული აპლიკაციები. ულტრადისპერსული ნაწილაკების თვისებები ამ მასალებს აქცევს ინოვაციურ ნაერთებს არაჩვეულებრივი ფუნქციების მქონე ახალი მასალების შესაქმნელად. ალმასის ნაწილაკების ზომა ჭვარტლში არის დაახლოებით 5 ნმ.

ძლიერი ძალების პირობებში, როგორიცაა ხმოვანი გამოსხივება ან დეტონაცია, გრაფიტი შეიძლება გარდაიქმნას ბრილიანტად.

ულტრაბგერითი სინთეზირებული ნანობრილიანტები

ბრილიანტების სინთეზი მნიშვნელოვანი კვლევითი სფეროა სამეცნიერო და კომერციული ინტერესებისთვის. მიკროკრისტალური და ნანოკრისტალური ალმასის ნაწილაკების სინთეზისთვის ყველაზე ხშირად გამოყენებული პროცესი არის მაღალი წნევის-მაღალი ტემპერატურის (HPHT) ტექნიკა. ამ მეთოდით წარმოიქმნება ათიათასობით ატმოსფეროში საჭირო პროცესის წნევა და 2000K-ზე მეტი ტემპერატურა, რათა წარმოიქმნას სამრეწველო ალმასის მსოფლიო მარაგის ძირითადი ნაწილი. გრაფიტის ალმასად გადაქცევისთვის, ზოგადად, საჭიროა მაღალი წნევა და მაღალი ტემპერატურა, ხოლო კატალიზატორები გამოიყენება ალმასის მოსავლიანობის გასაზრდელად.
ტრანსფორმაციისთვის საჭირო ეს მოთხოვნები შეიძლება ძალიან ეფექტურად წარმოიქმნას გამოყენებით მაღალი სიმძლავრის ულტრაბგერა (= დაბალი სიხშირის, მაღალი ინტენსივობის ულტრაბგერა):

ულტრაბგერითი კავიტაცია

ულტრაბგერა სითხეებში იწვევს ადგილობრივ ძალიან ექსტრემალურ ეფექტებს. სითხეების მაღალი ინტენსივობით გაჟღერებისას, ხმის ტალღები, რომლებიც ვრცელდება თხევად მედიაში, იწვევს მაღალი წნევის (შეკუმშვის) და დაბალი წნევის (იშვიათობის) ციკლების მონაცვლეობას, სიხშირეები დამოკიდებულია სიხშირეზე. დაბალი წნევის ციკლის დროს, მაღალი ინტენსივობის ულტრაბგერითი ტალღები ქმნიან პატარა ვაკუუმურ ბუშტებს ან სიცარიელეს სითხეში. როდესაც ბუშტები მიაღწევენ მოცულობას, რომლითაც ისინი ვეღარ შთანთქავენ ენერგიას, ისინი ძლიერად იშლება მაღალი წნევის ციკლის დროს. ამ ფენომენს უწოდებენ კავიტაცია. აფეთქების დროს ადგილობრივად მიიღწევა ძალიან მაღალი ტემპერატურა (დაახლოებით 5000K) და წნევა (დაახლოებით 2000ატმ). კავიტაციის ბუშტის აფეთქება ასევე იწვევს სითხის ჭავლებს 280 მ/წმ-მდე სიჩქარით. (Suslick 1998) აშკარაა, რომ მიკრო- და ნანოკრისტალური ბრილიანტების სინთეზირება შესაძლებელია ულტრაბგერითი სფეროში კავიტაცია.

ნანობრილიანტების სინთეზის ულტრაბგერითი პროცედურა

დე ფაქტო, ხაჩატრიანის და სხვ. (2008) გვიჩვენებს, რომ ალმასის მიკროკრისტალები ასევე შეიძლება სინთეზირდეს გრაფიტის სუსპენზიის ულტრაბგერითი ორგანულ სითხეში ატმოსფერულ წნევასა და ოთახის ტემპერატურაზე. როგორც კავიტაციის სითხე, არჩეულია არომატული ოლიგომერების ფორმულა მისი დაბალი გაჯერებული ორთქლის წნევისა და მაღალი დუღილის ტემპერატურის გამო. ამ სითხეში არის სპეციალური სუფთა გრაფიტის ფხვნილი – ნაწილაკებით 100-200 მკმ დიაპაზონში - შეჩერებულია. კაჩატრიანის და სხვების ექსპერიმენტებში მყარი სითხის წონის თანაფარდობა იყო 1:6, კავიტაციის სითხის სიმკვრივე იყო 1,1 გ სმ.^-3 25°C-ზე. ულტრაბგერითი მაქსიმალური ინტენსივობა სონორეაქტორში იყო 75-80 ვტ სმ^-2 ხმის წნევის ამპლიტუდის შესაბამისი 15-16 ბარი.
მიღწეულია დაახლოებით 10% გრაფიტის ალმასზე გადაქცევა. ბრილიანტები თითქმის იყო მონო-დისპერსიული ძალიან მკვეთრი, კარგად შემუშავებული ზომით 6 ან 9μm ± 0.5μm დიაპაზონში, კუბური, კრისტალური მორფოლოგია და მაღალი სისუფთავე.

ულტრაბგერითი სინთეზირებული ალმასების SEM გამოსახულებები: სურათები (ა) და (ბ) აჩვენებს ნიმუშის სერიას 1, (გ) და (დ) ნიმუშის სერიას 2. [Khachatryan et al. 2008]

The ღირს ამ მეთოდით წარმოებული მიკრო და ნანო ალმასები შეფასებულია კონკურენტუნარიანი მაღალი წნევა-მაღალი ტემპერატურის (HPHT) პროცესით. ეს ხდის ულტრაბგერას ინოვაციურ ალტერნატივად მიკრო და ნანო ალმასების სინთეზისთვის (ხაჩატრიანი და სხვ. 2008), განსაკუთრებით იმის გამო, რომ ნანობრილიანტების წარმოების პროცესის ოპტიმიზაცია შესაძლებელია შემდგომი გამოკვლევებით. ბევრი პარამეტრი, როგორიცაა ამპლიტუდა, წნევა, ტემპერატურა, კავიტაციის სითხე და კონცენტრაცია ზუსტად უნდა იქნას შესწავლილი, რათა აღმოვაჩინოთ ულტრაბგერითი ნანობრილიანტის სინთეზის ტკბილი წერტილი.
შემდგომი ულტრაბგერითი წარმოქმნილი ნანობრილიანტების სინთეზში მიღწეული შედეგებით კავიტაცია გთავაზობთ სხვა მნიშვნელოვანი ნაერთების სინთეზის პოტენციალს, როგორიცაა კუბური ბორის ნიტრიდი, ნახშირბადის ნიტრიდი და ა.შ. (Khachatryan et al. 2008)
გარდა ამისა, როგორც ჩანს, შესაძლებელია ბრილიანტის ნანომავთულის და ნანოღოლების შექმნა მრავალკედლიანი ნახშირბადის ნანომილებიდან (MWCNTs) ულტრაბგერითი დასხივების ქვეშ. ბრილიანტის ნანომავთულები არის ნაყარი ალმასის ერთგანზომილებიანი ანალოგები. მისი მაღალი ელასტიურობის მოდულის, სიძლიერისა და წონის თანაფარდობის და მისი ზედაპირების ფუნქციონირების შედარებით მარტივი გამო, ალმასი აღმოჩნდა ოპტიმალური მასალა ნანომექანიკური დიზაინისთვის. (Sun et al. 2004)

ნანობრილიანტების ულტრაბგერითი დისპერსირება

როგორც უკვე აღვნიშნეთ, დეაგლომერაცია და ნაწილაკების ზომის თანაბარი განაწილება გარემოში აუცილებელია ნანო ალმასის უნიკალური მახასიათებლების წარმატებული გამოყენებისთვის.
დისპერსიას და დეაგლომერაცია ულტრაბგერითი გამოკვლევის შედეგია კავიტაცია. ულტრაბგერითი სითხეების ზემოქმედებისას, ხმის ტალღები, რომლებიც სითხეში ვრცელდება, იწვევს მაღალი წნევის და დაბალი წნევის ციკლების მონაცვლეობას. ეს ეხება მექანიკურ სტრესს ცალკეულ ნაწილაკებს შორის მიზიდულ ძალებზე. ულტრაბგერითი კავიტაცია სითხეებში იწვევს მაღალი სიჩქარის სითხის ჭავლებს 1000 კმ/სთ-მდე (დაახლოებით 600 მილი/სთ). ასეთი ჭავლები ნაწილაკებს შორის მაღალი წნევით აჭერენ სითხეს და აშორებენ მათ ერთმანეთისგან. მცირე ნაწილაკები აჩქარდებიან თხევადი ჭავლებით და ეჯახებიან დიდი სიჩქარით. ეს ხდის ულტრაბგერას ეფექტურ საშუალებად დისპერსიისთვის, მაგრამ ასევე ფრეზირება მიკრონის ზომის და ქვემიკრონის ზომის ნაწილაკებისგან.
მაგალითად, ნანობრილიანტები (საშუალო ზომა დაახლოებით 4 ნმ) და პოლისტირონი შეიძლება დაიშალოს ციკლოჰექსანში სპეციალური კომპოზიტის მისაღებად. მათ კვლევაში ჩიპარა და სხვ. (2010) მოამზადეს პოლისტიროლისა და ნანობრილიანტის კომპოზიტები, რომლებიც შეიცავს ნანობრილიანტს 0-დან 25%-მდე წონის დიაპაზონში. თანაბარის მისაღებად დისპერსიასისინი ამუშავებდნენ ხსნარს 60 წუთის განმავლობაში Hielscher's-ით UIP1000hd (1 კვტ).

ნანობრილიანტების ულტრაბგერითი დახმარებით ფუნქციონალიზაცია

თითოეული ნანო ზომის ნაწილაკების სრული ზედაპირის ფუნქციონალიზაციისთვის, ნაწილაკების ზედაპირი ხელმისაწვდომი უნდა იყოს ქიმიური რეაქციისთვის. ეს ნიშნავს, რომ საჭიროა თანაბარი და წვრილი დისპერსია, რადგან კარგად გაფანტული ნაწილაკები გარშემორტყმულია მოლეკულების სასაზღვრო ფენით, რომელიც მოზიდულია ნაწილაკების ზედაპირზე. ახალი ფუნქციური ჯგუფების ნანობრილიანტის ზედაპირზე მოსახვედრად, ეს სასაზღვრო ფენა უნდა დაირღვეს ან მოიხსნას. სასაზღვრო ფენის გარღვევისა და მოცილების პროცესი შეიძლება განხორციელდეს ულტრაბგერითი საშუალებით.
სითხეში შეყვანილი ულტრაბგერა წარმოშობს სხვადასხვა ექსტრემალურ ეფექტებს, როგორიცაა კავიტაციაადგილობრივად ძალიან მაღალი ტემპერატურა 2000K-მდე და თხევადი ჭავლები 1000კმ/სთ-მდე. (Suslick 1998) ამ სტრესის ფაქტორებით შეიძლება დაიძლიოს მიზიდულობის ძალები (მაგ. ვან-დერ-ვალსის ძალები) და ფუნქციური მოლეკულები გადაიტანონ ნაწილაკების ზედაპირზე ფუნქციონალიზაციისთვის, მაგ., ნანობრილიანტის ზედაპირი.

სქემა 1: ნანობრილიანტების in situ-დეაგლომერაციისა და ზედაპირის ფუნქციონალიზაციის გრაფიკა (Liang 2011)

Bead-Assisted Sonic Disintegration (BASD) მკურნალობის ექსპერიმენტებმა აჩვენა პერსპექტიული შედეგები ნანობრილიანტების ზედაპირული ფუნქციონალიზაციისთვისაც. ამრიგად, მძივები (მაგ. მიკრო ზომის კერამიკული მძივები, როგორიცაა ZrO2 მძივები) გამოყენებული იქნა ულტრაბგერითი მოქმედების გასაძლიერებლად. კავიტაციური ძალები ნანო ალმასის ნაწილაკებზე. დეაგლომერაცია ხდება ნანო ალმასის ნაწილაკებსა და ZrO-ს შორის ნაწილაკთაშორისი შეჯახების გამო.₂ მძივები.
ნაწილაკების ზედაპირის უკეთესი ხელმისაწვდომობის გამო, ქიმიური რეაქციებისთვის, როგორიცაა ბორანის რედუქცია, არილაცია ან სილანიზაცია, რეკომენდირებულია ულტრაბგერითი ან BASD (მძივის დახმარებით ბგერითი დაშლა) წინასწარი დამუშავება დაშლის მიზნით. ულტრაბგერითი დარბევა და დეაგლომერაცია ქიმიური რეაქცია შეიძლება ბევრად უფრო სრულად გაგრძელდეს.