ნანოალმასების ულტრაბგერითი სინთეზი
გრაფიტიდან ალმასამდე: მძლავრი ულტრაბგერა მიკრო- და ნანოკრისტალური ალმასების სინთეზის პერსპექტიულ გზას გვთავაზობს ოთახის ტემპერატურისა და ატმოსფერული წნევის პირობებში. ინტენსიური აკუსტიკური კავიტაცია ორგანულ სითხეებში გრაფიტის სუსპენზიებში ალმასის წარმოქმნას შესაძლებელს ხდის. სინთეზის გარდა, ულტრაბგერითი დამუშავება ხელს უწყობს მიღებული ნანოალმასების ეფექტურ დისპერგირებას, დეაგლომერაციასა და ფუნქციონალიზაციას – რაც მას მრავალმხრივ ინსტრუმენტად აქცევს როგორც წარმოებისთვის, ისე შემდგომი დამუშავებისთვის.
ულტრაბგერა ნანოალმასების დამუშავებისთვის
ნანოალმასები (ასევე ცნობილი როგორც დეტონაციური ალმასები (DND) ან ულტრადისპერსიული ალმასები (UDD)) ნახშირბადის ნანომასალების სპეციალური ფორმაა, რომელიც გამოირჩევა უნიკალური მახასიათებლებით – როგორიცაა კრისტალური მესრის სტრუქტურა, დიდი ზედაპირი, ასევე უნიკალური ოპტიკური და მაგნიტური თვისებები – და გამორჩეული ფუნქციონალური შესაძლებლობებით. ულტრადისპერსიული ნაწილაკების თვისებები ამ მასალებს ინოვაციურ ნაერთებად აქცევს, რომლებიც საშუალებას იძლევა შეიქმნას ახალი მასალები განსაკუთრებული ფუნქციებით. ალმასის ნაწილაკების ზომა ჭვარტლში დაახლოებით 5nm-ია.
ინტენსიური ძალების ზემოქმედებისას, როგორიცაა ულტრაბგერითი დამუშავება ან დეტონაცია, გრაფიტი შეიძლება გარდაიქმნას ალმასად.
ულტრაბგერით სინთეზირებული ნანოალმასები
ალმასების სინთეზი მნიშვნელოვანი სამეცნიერო და კომერციული ინტერესების მქონე კვლევითი სფეროა. მიკროკრისტალური და ნანოკრისტალური ალმასის ნაწილაკების სინთეზისთვის ჩვეულებრივ გამოყენებული პროცესი არის მაღალი წნევისა და მაღალი ტემპერატურის (HPHT) ტექნიკა. ამ მეთოდით, საჭირო პროცესული წნევა ათეულობით ათასი ატმოსფერო და 2000K-ზე მეტი ტემპერატურა გენერირდება მსოფლიოში ინდუსტრიული ალმასის ძირითადი მოცულობის წარმოებისთვის. გრაფიტის ალმასად გარდაქმნისთვის, ზოგადად, საჭიროა მაღალი წნევები და მაღალი ტემპერატურები, ხოლო კატალიზატორები გამოიყენება ალმასის გამოსავლიანობის გასაზრდელად.
გარდაქმნისთვის საჭირო ამ პირობების შექმნა ძალიან ეფექტურად შეიძლება მძლავრი ულტრაბგერის (= დაბალი სიხშირის, მაღალი ინტენსივობის ულტრაბგერა) გამოყენებით:
ულტრაბგერითი კავიტაცია
ულტრაბგერა სითხეებში ლოკალურად ძალიან ექსტრემალურ ეფექტებს იწვევს. სითხეების მაღალი ინტენსივობის ულტრაბგერით დამუშავებისას სითხეში გავრცელებული ბგერითი ტალღები წარმოქმნის მაღალი წნევის (შეკუმშვის) და დაბალი წნევის (გაიშვიათების) მონაცვლე ციკლებს, რომელთა განმეორების სიხშირე ულტრაბგერის სიხშირეზეა დამოკიდებული. დაბალი წნევის ციკლის დროს მაღალი ინტენსივობის ულტრაბგერითი ტალღები სითხეში მცირე ვაკუუმურ ბუშტუკებს ან ღრუებს ქმნის. როდესაც ბუშტუკები ისეთ მოცულობას აღწევს, რომ ენერგიას ვეღარ შთანთქავს, ისინი მაღალი წნევის ციკლის დროს მკვეთრად კოლაფსირებს. ამ მოვლენას ეწოდება კავიტაცია. იმპლოზიის დროს ლოკალურად მიიღწევა ძალიან მაღალი ტემპერატურები (დაახლ. 5 000K) და წნევები (დაახლ. 2 000atm). კავიტაციური ბუშტუკის იმპლოზია ასევე იწვევს სითხის ნაკადებს მაქსიმუმ 280m/s სიჩქარით. (Suslick 1998) ცხადია, რომ მიკრო- და ნანოკრისტალური ალმასები შეიძლება სინთეზირდეს ულტრაბგერითი კავიტაციის სფეროში.
ულტრაბგერითი პროცედურა ნანოალმასების სინთეზისთვის
ფაქტობრივად, Khachatryan et al. (2008)-ის კვლევა აჩვენებს, რომ ალმასის მიკროკრისტალები ასევე შეიძლება სინთეზირდეს ორგანულ სითხეში გრაფიტის სუსპენზიის ულტრაბგერითი დამუშავებით, ატმოსფერული წნევისა და ოთახის ტემპერატურის პირობებში. კავიტაციურ სითხედ შეირჩა არომატული ოლიგომერების ნარევი გაჯერებული ორთქლის დაბალი წნევისა და დუღილის მაღალი ტემპერატურის გამო. ამ სითხეში სუსპენზირებული იყო სპეციალური სუფთა გრაფიტის ფხვნილი, რომლის ნაწილაკების ზომა 100-200 µm დიაპაზონში იყო. Kachatryan et al.-ის ექსპერიმენტებში მყარი ფაზისა და სითხის მასური თანაფარდობა იყო 1:6, ხოლო კავიტაციური სითხის სიმკვრივე იყო 1,1g cm-3 25°C-ზე. მაქსიმალური ულტრაბგერითი ინტენსივობა სონორეაქტორში იყო 75-80W cm-2 რაც შეესაბამება 15-16 bar ბგერითი წნევის ამპლიტუდას.
მიღწეულია გრაფიტის ალმასად გარდაქმნის დაახლოებით 10%-იანი მაჩვენებელი. ალმასები იყო თითქმის მონოდისპერსიული ზომების ძალიან ვიწრო, მკაფიოდ განსაზღვრული განაწილებით 6 ან 9μm ± 0,5μm დიაპაზონში, კუბური, კრისტალური მორფოლოგიით და მაღალი სიწმინდით.
ულტრაბგერით სინთეზირებული ალმასების SEM სურათები: (a) და (b) სურათები აჩვენებს 1-ლი სერიის ნიმუშს, (c) და (d) – მე-2 სერიის ნიმუშს. [Khachatryan et al. 2008]
ამ მეთოდით წარმოებული მიკრო- და ნანოალმასების ხარჯები შეფასების თანახმად, კონკურენტუნარიანია მაღალი წნევისა და მაღალი ტემპერატურის (HPHT) პროცესთან შედარებით. ეს ულტრაბგერას მიკრო- და ნანოალმასების სინთეზის ინოვაციურ ალტერნატივად აქცევს (Khachatryan et al. 2008), განსაკუთრებით იმის გათვალისწინებით, რომ ნანოალმასების წარმოების პროცესის ოპტიმიზაცია შესაძლებელია შემდგომი კვლევებით. ბევრი პარამეტრი, როგორიცაა ამპლიტუდა, წნევა, ტემპერატურა, კავიტაციური სითხე და კონცენტრაცია, ზუსტად უნდა შეისწავლონ ულტრაბგერითი ნანოალმასების სინთეზის ოპტიმალური პირობების დასადგენად.
ნანოალმასების სინთეზში მიღწეული შედეგების საფუძველზე, ულტრაბგერითი კავიტაცია იძლევა სხვა მნიშვნელოვანი ნაერთების სინთეზის შესაძლებლობას, როგორიცაა კუბური ბორის ნიტრიდი, ნახშირბადის ნიტრიდი და ა.შ. (Khachatryan et al. 2008)
გარდა ამისა, როგორც ჩანს, შესაძლებელია ალმასის ნანომავთულებისა და ნანოჩხირების შექმნა მრავალკედლიანი ნახშირბადის ნანომილაკებისგან (MWCNTs) ულტრაბგერითი დასხივების პირობებში. ალმასის ნანომავთულები მოცულობითი ალმასის ერთგანზომილებიანი ანალოგებია. დრეკადობის მაღალი მოდულის, სიმტკიცისა და წონის მაღალი შეფარდებისა და ზედაპირის ფუნქციონალიზაციის შედარებითი სიმარტივის გამო ალმასი ნანომექანიკური კონსტრუქციებისთვის ოპტიმალურ მასალად იქნა მიჩნეული. (Sun et al. 2004)
ნანოალმასების ულტრაბგერითი დისპერგირება
როგორც უკვე აღინიშნა, დეაგლომერაცია და ნაწილაკების ზომის თანაბარი განაწილება გარემოში აუცილებელია ნანოალმასების უნიკალური მახასიათებლების წარმატებული გამოყენებისთვის.
დისპერსია და დეაგლომერაცია ულტრაბგერითი დამუშავებისას გამოწვეულია ულტრაბგერითი კავიტაციით. როდესაც სითხეები ულტრაბგერის ზემოქმედებას ექვემდებარება, სითხეში გავრცელებული ბგერითი ტალღები იწვევს მაღალი და დაბალი წნევის მონაცვლე ციკლებს. ეს მექანიკურ ზემოქმედებას ახდენს ცალკეულ ნაწილაკებს შორის არსებულ მიზიდულობის ძალებზე. ულტრაბგერითი კავიტაცია სითხეებში წარმოქმნის სითხის მაღალსიჩქარიან ნაკადებს, რომელთა სიჩქარე აღწევს 1000km/hr-ს (დაახლოებით 600mph). ასეთი ნაკადები მაღალი წნევით შეაღწევს ნაწილაკებს შორის და მათ ერთმანეთისგან აცალკევებს. უფრო მცირე ნაწილაკები სითხის ნაკადებთან ერთად ჩქარდება და ერთმანეთს მაღალი სიჩქარით ეჯახება. ეს ულტრაბგერას დისპერგირებისთვის, ასევე დაფქვისთვის მიკრონული და სუბმიკრონული ზომის ნაწილაკების დამუშავების ეფექტურ საშუალებად აქცევს.
მაგალითად, ნანოალმასები (საშუალო ზომა დაახლოებით 4nm) და პოლისტიროლი შეიძლება დისპერგირდეს ციკლოჰექსანში სპეციალური კომპოზიტის მისაღებად. თავიანთ კვლევაში, Chipara et al. (2010) მოამზადეს პოლისტიროლისა და ნანოალმასების კომპოზიტები, რომლებიც შეიცავდნენ ნანოალმასებს 0-დან 25%-მდე დიაპაზონში წონით. თანაბარი დისპერსიის მისაღებად მათ ხსნარი 60 წთ-ის განმავლობაში ულტრაბგერით დაამუშავეს Hielscher-ის 1000 ვატიანი მძლავრი სონიკატორის UIP1000hd მოდელის გამოყენებით.
გაიგეთ მეტი ნანოალმასების ულტრაბგერითი დეაგლომერაციის შესახებ!
ნანოალმასების ულტრაბგერითი დახმარებით ფუნქციონალიზაცია
თითოეული ნანოზომის ნაწილაკის მთლიანი ზედაპირის ფუნქციონალიზაციისთვის, ნაწილაკის ზედაპირი ქიმიური რეაქციისთვის ხელმისაწვდომი უნდა იყოს. ეს ნიშნავს, რომ საჭიროა თანაბარი და წვრილი დისპერსია, რადგან კარგად დისპერგირებული ნაწილაკები გარშემორტყმულია ნაწილაკის ზედაპირზე მიზიდული მოლეკულების საზღვრული ფენით. ახალი ფუნქციური ჯგუფების ნანოალმასების ზედაპირზე მისაღებად, ეს საზღვრული ფენა უნდა დაინგრეს ან მოცილდეს. საზღვრული ფენის დანგრევისა და მოცილების პროცესი შესაძლებელია ულტრაბგერით განხორციელდეს.
სითხეში შეყვანილი ულტრაბგერა იწვევს სხვადასხვა ექსტრემალურ ეფექტებს, როგორიცაა კავიტაცია, ლოკალურად ძალიან მაღალი ტემპერატურა 2000K-მდე და სითხის ნაკადები 1000km/hr-მდე სიჩქარით. (Suslick 1998) ამ ფაქტორების ზემოქმედებით შეიძლება დაიძლიოს მიზიდულობის ძალები (მაგ. ვან-დერ-ვაალსის ძალები), ხოლო ფუნქციური მოლეკულები მიეწოდოს ნაწილაკის, მაგალითად, ნანოალმასის ზედაპირს მისი ფუნქციონალიზაციისთვის.
სქემა 1: ნანოალმასების in situ დეაგლომერაციისა და ზედაპირის ფუნქციონალიზაციის გრაფიკა (Liang 2011)
მარცვლების დახმარებით ულტრაბგერითი დეზინტეგრაციის (BASD) მეთოდით ჩატარებულმა ექსპერიმენტებმაც იმედისმომცემი შედეგები აჩვენა ნანოალმასების ზედაპირის ფუნქციონალიზაციისთვის. ამ დროს მარცვლები (მაგ. მიკროზომის კერამიკული მარცვლები, როგორიცაა ZrO2 მარცვლები) გამოიყენებოდა ულტრაბგერითი კავიტაციული ძალების ნანოალმასის ნაწილაკებზე გაძლიერებისთვის. დეაგლომერაცია ხდება ნანოალმასის ნაწილაკებსა და ZrO2 მარცვლებს შორის ნაწილაკთაშორისი შეჯახების შედეგად.
ნაწილაკების ზედაპირის უკეთესი ხელმისაწვდომობის გამო, ისეთი ქიმიური რეაქციებისთვის, როგორიცაა ბორანით აღდგენა, არილირება ან სილანიზაცია, მკაცრად რეკომენდებულია დისპერგირების მიზნით ულტრაბგერითი ან BASD (მარცვლების დახმარებით ულტრაბგერითი დეზინტეგრაციის) წინასწარი დამუშავება. ულტრაბგერითი დისპერსიის და დეაგლომერაციის შედეგად ქიმიური რეაქცია ბევრად უფრო სრულად შეიძლება წარიმართოს.
ულტრაბგერითი კავიტაცია იწვევს ტემპერატურისა და წნევის უკიდურეს სხვაობებს და წარმოქმნის სითხის მაღალსიჩქარიან ნაკადებს. შესაბამისად, მძლავრი ულტრაბგერა შერევისა და დაფქვის ეფექტური მეთოდია.
დაგვიკავშირდით! / დაგვისვით შეკითხვა!
ლიტერატურა/გამოყენებული წყაროები
- Khachatryan, A. Kh. et al.: ულტრაბგერითი კავიტაციით გამოწვეული გრაფიტის ალმასად ტრანსფორმაცია. In: Diamond & Related Materials 17, 2008; pp931-936.
- Galimov, Erik & Kudin, A. & Skorobogatskii, V. & Plotnichenko, V. & Bondarev, O. & Zarubin, B. & Strazdovskii, V. & Aronin, Alexandr & Fisenko, A. & Bykov, I. & Barinov, A.. (2004): ალმასის სინთეზის ექსპერიმენტული დადასტურება კავიტაციის პროცესში. Doklady Physics – DOKL PHYS. 49. 150-153.
- Turcheniuk, K., Trecazzi, C., Deeleepojananan, C., & Mochalin, V. N. (2016): მარილით დახმარებული ულტრაბგერითი ნანოალმასის დეაგრეგაცია. ACS Applied Materials & Interfaces, 8(38), 25461–25468.
- Basma H. Al-Tamimi, Iman I. Jabbar, Haitham M. Al-Tamimi (2919): ნანოკრისტალური ალმასის სინთეზი და დახასიათება გრაფიტის ფიფქებიდან კავიტაციით ხელშეწყობილი პროცესით. Heliyon, Volume 5, Issue 5. 2019.
- Krueger, A.: ნანოზომის ალმასის სტრუქტურა და რეაქტიულობა. In: J Mater Chem 18, 2008; pp. 1485-1492.
- Liang, Y.: ნანოალმასის დეაგლომერაცია და ზედაპირული ფუნქციონალიზაცია თერმოქიმიური და მექანოქიმიური მეთოდებით. დისერტაცია იულიუს-მაქსიმილიანის უნივერსიტეტი ვურცბურგი 2011.
- Osawa, E.: მონოდისპერსიული ერთეული ნანოალმასის ნაწილაკები. In: Pure Appl Chem 80/7, 2008; pp. 1365-1379.
- Pramatarova, L. et al.: დეტონაციური ნანოალმასის ნაწილაკებით პოლიმერული კომპოზიტების უპირატესობა სამედიცინო აპლიკაციებისთვის. In: On Biomimetics; pp. 298-320.
- Sun, L.; Gong, J.; Zhu, D.; Zhu, Z.; He, S.: ალმასის ნანოღეროები ნახშირბადის ნანომილაკებიდან. In: Advanced Materials 16/2004. pp. 1849-1853.
- Suslick, K.S.: Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology. 4th ed. J. Wiley & Sons: New York; 26, 1998; pp. 517-541.
- Chipara, A. C. et al.: პოლისტიროლში დისპერსირებული ნანოალმასის ნაწილაკების თერმული თვისებები. HESTEC 2010.
- El-Say, K. M.: ნანოალმასები როგორც წამლის მიწოდების სისტემა: აპლიკაცია და პერსპექტივა. In J Appl Pharm Sci 01/06, 2011; pp. 29-39.
ნანოალმასები – გამოყენება და აპლიკაციები
ნანოალმასის მარცვლები არასტაბილურია მათი ზეტა-პოტენციალის გამო. შესაბამისად, ისინი ძლიერ მიდრეკილნი არიან აგრეგატების წარმოქმნისკენ. ნანოალმასების ერთ-ერთი გავრცელებული გამოყენება არის აბრაზივებში, საჭრელ და პოლირების ინსტრუმენტებში და სითბოგამტარებში. სხვა პოტენციური გამოყენება არის ნანოალმასების გამოყენება ფარმაცევტული აქტიური კომპონენტების მატარებლად (იხ. Pramatarova). ულტრაბგერითი დამუშავებით, ჯერ ნანოალმასები შეიძლება სინთეზირდეს გრაფიტისგან და მეორეც, აგლომერაციისკენ ძლიერ მიდრეკილი ნანოალმასები შეიძლება თანაბრად დისპერსირდეს სითხეში (მაგ. პოლირების საშუალების ფორმულირებისთვის).