나노 다이아몬드의 초음파 합성
- 강렬한 캐비테이션력으로 인해 파워 초음파는 흑연에서 미크론 및 나노 크기의 다이아몬드를 생산하는 유망한 기술입니다.
- 마이크로 및 나노 결정 다이아몬드는 대기압 및 실온에서 유기 액체의 흑연 현탁액을 초음파 처리하여 합성 할 수 있습니다.
- 초음파는 또한 초음파가 나노 입자를 매우 효과적으로 분산, 응집 및 기능화하기 때문에 합성 된 나노 다이아몬드의 후 처리에 유용한 도구입니다.
나노다이아몬드 처리를 위한 초음파
나노 다이아몬드 (폭발 다이아몬드 (DND) 또는 초 분산 다이아몬드 (UDD)라고도 함)는 다음과 같은 독특한 특성으로 구별되는 특별한 형태의 탄소 나노 물질입니다. 격자 구조, 그것의 큰 표면뿐만 아니라 독특합니다. 광학 그리고 자석 속성 – 그리고 뛰어난 응용 프로그램. 초분산 입자의 특성으로 인해 이러한 물질은 특별한 기능을 가진 새로운 물질을 만들기 위한 혁신적인 화합물이 됩니다. 그을음에 있는 다이아몬드 입자의 크기는 약 5nm입니다.
초음파 처리 또는 폭발과 같은 강렬한 힘으로 흑연은 다이아몬드로 변형될 수 있습니다.
초음파 합성 나노 다이아몬드
다이아몬드의 합성은 과학적, 상업적 이익과 관련된 중요한 연구 분야입니다. 미결정 및 나노 결정 다이아몬드 입자의 합성에 일반적으로 사용되는 공정은 고압-고온(HPHT) 기술입니다. 이 방법을 사용하면 수만 기압의 필요한 공정 압력과 2000K 이상의 온도가 생성되어 전 세계 산업용 다이아몬드 공급의 주요 부분을 생산합니다. 흑연을 다이아몬드로 변환하기 위해서는 일반적으로 높은 압력과 고온이 필요하며 다이아몬드의 수율을 높이기 위해 촉매를 사용합니다.
변환에 필요한 이러한 요구 사항은 다음을 사용하여 매우 효율적으로 생성할 수 있습니다. 고출력 초음파 (= 저주파, 고강도 초음파) :
초음파 캐비테이션
액체의 초음파는 국부적으로 매우 극단적인 효과를 일으킵니다. 높은 강도로 액체를 초음파 처리 할 때 액체 매체로 전파되는 음파는 주파수에 따라 고압 (압축) 및 저압 (희박) 사이클을 번갈아 가며 속도를 높입니다. 저압 사이클 동안 고강도 초음파는 액체에 작은 진공 기포 또는 공극을 생성합니다. 기포가 더 이상 에너지를 흡수할 수 없는 부피에 도달하면 고압 사이클 동안 격렬하게 붕괴됩니다. 이 현상을 다음과 같이 합니다 공동 현상. 내파 중에는 국부적으로 매우 높은 온도(약 5,000K)와 압력(약 2,000atm)에 도달합니다. 캐비테이션 버블의 내파는 또한 최대 280m/s 속도의 액체 제트를 초래합니다. (Suslick 1998년) 마이크로와 나노 결정질 다이아몬드는 초음파 분야에서 합성 될 수 있습니다 공동 현상.
나노 다이아몬드의 합성을위한 초음파 절차
사실, Khachatryan et al. (2008)의 연구는 다이아몬드 미세 결정이 대기압 및 실온에서 유기 액체의 흑연 현탁액의 초음파에 의해 합성 될 수 있음을 보여줍니다. 캐비테이션 유체로서, 방향족 올리고머의 공식은 낮은 포화 증기압과 높은 끓는 온도 때문에 선택되었습니다. 이 액체에서는, 특별한 순수한 흑연 분말 – 100-200 μm 범위의 입자로 – 현탁되었습니다. Kachatryan et al.의 실험에서 고체-유체 중량 비율은 1:6, 캐비테이션 유체 밀도는 1.1g cm였습니다-3 25°C에서. 초음파 증폭기의 최대 초음파 강도는 75-80W cm입니다.-2 15-16 bar의 음압 진폭에 해당합니다.
약 10%의 흑연에서 다이아몬드로의 전환이 이루어졌습니다. 다이아몬드는 거의 모노 분산 6 또는 9μm ± 0.5μm 범위의 매우 날카롭고 잘 설계된 크기로 입방체로, 결정 morphology 및 고순도.
초음파로 합성 된 다이아몬드의 SEM 이미지 : 그림 (a) 및 (b)는 샘플 시리즈 1, (c) 및 (d)는 샘플 시리즈 2를 보여줍니다. [Khachatryan 외. 2008]
이 비용 이 방법으로 생산된 마이크로 다이아몬드 및 나노 다이아몬드의 비율은 다음과 같이 추정됩니다. 경쟁적인 고압-고온(HPHT) 공정으로. 따라서 초음파는 마이크로 및 나노 다이아몬드의 합성을 위한 혁신적인 대안이 되었으며(Khachatryan et al. 2008), 특히 나노 다이아몬드의 생산 공정이 추가 연구를 통해 최적화될 수 있기 때문입니다. 진폭, 압력, 온도, 캐비테이션 유체 및 농도와 같은 많은 매개 변수를 정확하게 검사하여 초음파 나노 다이아몬드 합성의 스위트 스폿을 발견해야합니다.
나노 다이아몬드를 합성하는 데 달성 된 결과에 의해, 더욱 초음파로 생성 공동 현상 입방정 질화붕소, 질화탄소 등과 같은 다른 중요한 화합물의 합성 가능성을 제공합니다(Khachatryan et al. 2008)
또한, 초음파 조사하에 다중 벽 탄소 나노 튜브 (MWCNT)로부터 다이아몬드 나노 와이어 및 나노 막대를 만드는 것이 가능한 것으로 보입니다. 다이아몬드 나노 와이어는 벌크 다이아몬드의 1 차원 유사체입니다. 그것의 높은 탄력 있는 계수, 힘 대 무게 비율 및 그것의 표면이 기능화될 수 있는 상대적인 용이함 때문에, 다이아몬드는 nanomechanical 디자인을 위한 최선 물자이기 위하여 찾아냈습니다. (Sun 외. 2004)
나노 다이아몬드의 초음파 분산
이미 설명한 바와 같이, 매체의 deagglomeration 및 균일한 입자 크기 분포는 나노 다이아몬드의 고유한 특성을 성공적으로 활용하기 위한 필수 요소입니다.
분산 그리고 응집력 제거 초음파에 의해 초음파의 결과입니다. 공동 현상. 액체를 초음파에 노출시킬 때 액체로 전파되는 음파는 고압과 저압 사이클을 번갈아 가며 일으킵니다. 이것은 개별 입자 사이의 끌어당기는 힘에 기계적 응력을 적용합니다. 액체의 초음파 캐비테이션은 최대 1000km/hr(약 600mph)의 고속 액체 제트를 일으킵니다. 이러한 제트는 입자 사이에 고압으로 액체를 누르고 서로 분리합니다. 더 작은 입자는 액체 제트와 함께 가속되어 고속으로 충돌합니다. 이것은 초음파를 분산을 위한 효과적인 수단으로 만들 뿐만 아니라 밀링 미크론 크기 및 서브 미크론 크기 입자.
예를 들어, 나노 다이아몬드 (평균 약 4nm의 크기)와 폴리스티렌을 시클로 헥산에 분산시켜 특수 복합 재료를 얻을 수 있습니다. 그들의 연구에서 Chipara et al. (2010)은 0에서 25 % 무게 범위의 나노 다이아몬드를 포함하는 폴리스티렌과 나노 다이아몬드의 복합 재료를 준비했습니다. 짝수를 얻으려면 분산, 그들은 Hielscher로 60 분 동안 용액을 초음파 처리했습니다. UIP1000HD (1kW)입니다.
나노 다이아몬드의 초음파 보조 기능화
각 나노 크기 입자의 전체 표면의 기능화를 위해서는 입자의 표면이 화학 반응에 사용할 수 있어야 합니다. 이는 잘 분산된 입자가 입자 표면에 끌어당겨진 분자의 경계층으로 둘러싸여 있기 때문에 균일하고 미세한 분산이 필요하다는 것을 의미합니다. 나노다이아몬드의 표면에 새로운 작용기를 얻으려면 이 경계층을 파괴하거나 제거해야 합니다. 이러한 경계층의 파괴 및 제거 과정은 초음파로 수행 할 수 있습니다.
액체에 도입된 초음파는 다음과 같은 다양한 극한 효과를 생성합니다. 공동 현상, 최대 2000K의 국부적으로 매우 높은 온도와 최대 1000km/hr의 액체 제트(Suslick 1998) 이 응력 요인에 의해 끌어당기는 힘(예: Van-der-Waals 힘)을 극복할 수 있으며 기능성 분자는 입자 표면으로 운반되어 기능화됩니다(예: 나노 다이아몬드의 표면).
계획 1: 나노다이아몬드의 현장 응집해제 및 표면 기능화 그래픽(Liang 2011)
BASD(Bead-Assisted Sonic Disintegration) 처리에 대한 실험은 나노다이아몬드의 표면 funcionalization에 대한 유망한 결과를 보여주었습니다. 이에 의해, 비드(예: ZrO2 비드와 같은 마이크로 크기의 세라믹 비드)는 초음파를 시행하는 데 사용되었습니다. 캐비테이셔널 나노 다이아몬드 입자에 힘을 가합니다. 탈응집은 나노다이아몬드 입자와 ZrO 사이의 특수간 충돌로 인해 발생합니다2 비즈.
입자 표면의 가용성이 우수하기 때문에 보란 환원, 아릴화 또는 실란화와 같은 화학 반응의 경우 분산 목적으로 초음파 또는 BASD(비드 보조 음파 분해) 전처리가 적극 권장됩니다. 초음파로 분산 그리고 응집력 제거 화학 반응은 훨씬 더 완벽하게 진행될 수 있습니다.
초음파 캐비테이션은 극한의 온도 및 압력 차이와 고속 액체 제트를 초래합니다. 따라서 전력 초음파는 혼합 및 밀링 응용 분야를 위한 성공적인 처리 방법입니다.
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문헌/참고문헌
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나노 다이아몬드 – 사용과 신청
나노 다이아몬드 입자는 제타 전위로 인해 불안정합니다. 따라서 그들은 집합체를 형성하는 경향이 높습니다. 나노 다이아몬드의 일반적인 응용 분야는 연마재, 절단 및 연마 도구 및 방열판에 사용하는 것입니다. 또 다른 잠재적인 용도는 제약 활성 성분(Pramatarova 참조)의 약물 전달체로 나노 다이아몬드를 적용하는 것입니다. 곁에 초음파 처리, 첫째, 나노 다이아몬드는 흑연에서 합성 될 수 있고 둘째, 응집되는 경향이있는 나노 다이아몬드는 균일 할 수 있습니다 분산 액체 매체에 넣는다(예: 연마제를 제형화하기 위해).