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 ნანოალმასის დამუშავებისთვის
ნანობრიტანტები (ასევე ცნობილი როგორც დეტონაციის ბრილიანტები (DND) ან ულტრადისპერსიული ბრილიანტები (UDD)) ნახშირბადის ნანომასალების განსაკუთრებული ფორმაა, რომელიც გამოირჩევა უნიკალური მახასიათებლებით - როგორიცაა ბადისებრი სტრუქტურა, დიდი ზედაპირი, ასევე უნიკალური ოპტიკური და მაგნიტური თვისებები - და განსაკუთრებული ფუნქციონალურობით. ულტრადისპერსიული ნაწილაკების თვისებები ამ მასალებს ინოვაციურ ნაერთებად აქცევს არაჩვეულებრივი ფუნქციების მქონე ახალი მასალების შესაქმნელად. ჭვარტლში ალმასის ნაწილაკების ზომა დაახლოებით 5 ნმ-ია.
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, ნანოალმასების წარმატებული ექსპლუატაციისთვის აუცილებელია დეაგლომერაცია და ნაწილაკების ზომის თანაბარი განაწილება გარემოში.’ უნიკალური მახასიათებლები.
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, ნანობრიანტების (საშუალო ზომა დაახლოებით 4 ნმ) და პოლისტიროლის ციკლოჰექსანში დისპერსია შესაძლებელია სპეციალური კომპოზიტის მისაღებად. თავიანთ კვლევაში, ჩიპარამ და სხვებმა (2010) მოამზადეს პოლისტიროლისა და ნანობრიანტების კომპოზიტები, რომლებიც შეიცავენ ნანობრიანტებს 0-დან 25%-მდე წონის დიაპაზონში. თანაბარი დისპერსიის მისაღებად, მათ ხსნარი 60 წუთის განმავლობაში დაამუშავეს ულტრაბგერითი მეთოდით Hielscher-ის 1000 ვატიანი მძლავრი ულტრაბგერითი მოდელის UIP1000hd-ით.
შეიტყვეთ მეტი ულტრაბგერითი ნანოალმასის დეაგრეგაციის შესახებ!
ნანობრილიანტების ულტრაბგერითი დახმარებით ფუნქციონალიზაცია
თითოეული ნანოზომის ნაწილაკის სრული ზედაპირის ფუნქციონალიზაციისთვის, ნაწილაკის ზედაპირი ხელმისაწვდომი უნდა იყოს ქიმიური რეაქციისთვის. ეს ნიშნავს, რომ საჭიროა თანაბარი და წვრილი დისპერსია, რადგან კარგად გაფანტული ნაწილაკები გარშემორტყმულია ნაწილაკის ზედაპირზე მიზიდული მოლეკულების სასაზღვრო ფენით. ნანოალმასებში ახალი ფუნქციური ჯგუფების მისაღებად’ ზედაპირზე, ეს სასაზღვრო ფენა უნდა გატყდეს ან მოიხსნას. სასაზღვრო ფენის გატეხვისა და მოშორების ეს პროცესი შეიძლება შესრულდეს ულტრაბგერითი მეთოდით.
სითხეში შეყვანილი ულტრაბგერა წარმოშობს სხვადასხვა ექსტრემალურ ეფექტებს, როგორიცაა კავიტაცია, ლოკალურად ძალიან მაღალი ტემპერატურა 2000K-მდე და სითხის ჭავლები 1000 კმ/სთ-მდე. (სუსლიკი 1998) ამ სტრესის ფაქტორებით შესაძლებელია მიზიდვის ძალების (მაგ. ვან-დერ-ვაალის ძალების) დაძლევა და ფუნქციური მოლეკულების ნაწილაკის ზედაპირზე გადატანა ფუნქციონალიზაციისთვის, მაგ. ნანოალმასები’ 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 უკეთესი ხელმისაწვდომობის გამო’ ზედაპირზე, ქიმიური რეაქციებისთვის, როგორიცაა ბორანის აღდგენა, არილაცია ან სილანიზაცია, რეკომენდებულია ულტრაბგერითი ან BASD (მძივებით დახმარებული ხმოვანი დაშლა) წინასწარი დამუშავება დისპერსიის მიზნით. დარბევა და დეაგლომერაცია ქიმიური რეაქცია შეიძლება ბევრად უფრო სრულად გაგრძელდეს.
ულტრაბგერითი კავიატაცია იწვევს ტემპერატურისა და წნევის უკიდურეს დიფერენციალს და მაღალსიჩქარიან თხევადი ჭავლებს. ამრიგად, დენის ულტრაბგერითი არის წარმატებული დამუშავების მეთოდი შერევისა და ფრეზირების პროგრამებისთვის.
Დაგვიკავშირდით! / Გვკითხე ჩვენ!
ლიტერატურა/ცნობარი
- ხაჩატრიანი, ა.ხ. და სხვ.: გრაფიტის ალმასის ტრანსფორმაცია გამოწვეული ულტრაბგერითი კავიტაციის შედეგად. In: Diamond & დაკავშირებული მასალები 17, 2008; გვ931-936.
- გალიმოვი, ერიკ & კუდინი, ა. & სკორობოგატსკი, ვ. & პლოტნიჩენკო, ვ. & ბონდარევი, ო. & ზარუბინი, ბ. & სტრაზდოვსკი, ვ. & არონინი, ალექსანდრ & ფისენკო, ა. & ბიკოვი, ი. & ბარინოვი, ა.. (2004): ალმასის სინთეზის ექსპერიმენტული დადასტურება კავიტაციის პროცესში. დოკლადი ფიზიკა – DOKL PHYS. 49. 150-153 წწ.
- ტურჩენიუკი, კ., ტრეკაცი, კ., დილეეპოჟანანანი, კ., & Mochalin, VN (2016): მარილის დახმარებით ნანოდიამასის ულტრაბგერითი დეაგრეგაცია. ACS გამოყენებითი მასალები & ინტერფეისები, 8 (38), 25461–25468.
- Basma H. Al-Tamimi, Iman I. Jabbar, Haitham M. Al-Tamimi (2919): ნანოკრისტალური ალმასის სინთეზი და დახასიათება გრაფიტის ფანტელებიდან კავიტაციის ხელშემწყობი პროცესის მეშვეობით. ჰელიონი, ტომი 5, ნომერი 5. 2019 წ.
- კრუგერი, ა.: ნანომასშტაბიანი ალმასის სტრუქტურა და რეაქტიულობა. In: J Mater Chem 18, 2008; გვ 1485-1492 წწ.
- Liang, Y.: Deagglomerierung und Oberflächenfunktionalisierung von Nanodiamant mittels thermochemischer und mechanochemischer Methoden. დისერტაცია Julius-Maximilian-Universität Würzburg 2011 წ.
- ოსავა, ე.: მონოდისპერსიული ნანო ალმასის ნაწილაკები. In: Pure Appl Chem 80/7, 2008; გვ 1365-1379 წწ.
- პრამატაროვა, ლ. და სხვ.: პოლიმერული კომპოზიტების უპირატესობა დეტონაციური ნანობრილიანტის ნაწილაკებით სამედიცინო გამოყენებისთვის. In: On Biomimetics; გვ 298-320.
- მზე, ლ. გონგი, ჯ. ჟუ, დ. ჟუ, ზ. ის, ს.: ბრილიანტის ნანოროდები ნახშირბადის ნანომილებიდან. In: Advanced Materials 16/2004. გვ 1849-1853 წწ.
- Suslick, KS: Kirk-Othmer ენციკლოპედია ქიმიური ტექნოლოგიების. მე-4 გამოცემა. ჯ.უილი & შვილები: ნიუ-იორკი; 26, 1998; გვ.517-541.
- Chipara, AC et al.: პოლისტირონში დაშლილი ნანოალიმასის ნაწილაკების თერმული თვისებები. HESTEC 2010.
- El-Say, KM: Nanodiamonds, როგორც წამლის მიწოდების სისტემა: განაცხადი და პერსპექტივა. J Appl Pharm Sci-ში 01/06, 2011; გვ 29-39.
ნანობრილიანტები – გამოყენება და აპლიკაციები
ნანობრილიანტის მარცვლები არასტაბილურია მათი ზეტა პოტენციალის გამო. ამრიგად, ისინი მიდრეკილნი არიან აგრეგატების ფორმირებისკენ. ნანობრილიანტის საერთო გამოყენებაა აბრაზიულ საშუალებებში, საჭრელ და გასაპრიალებელ იარაღებში და გამათბობელებში გამოყენება. სხვა პოტენციური გამოყენება არის ნანობრილიანტის გამოყენება, როგორც წამლის გადამზიდავი ფარმაცევტული აქტიური კომპონენტებისთვის (შდრ. პრამატაროვა). ავტორი ულტრაბგერითიჯერ ერთი, ნანო ალმასები შეიძლება სინთეზირებული იყოს გრაფიტიდან და მეორეც, ნანობრილიანტები, რომლებიც ძლიერ მიდრეკილნი არიან აგლომერაციისკენ, შეიძლება იყოს თანაბრად. გაფანტული თხევად მედიაში (მაგ. გასაპრიალებელი აგენტის დასამზადებლად).