Ultraschallsynthes vun Nanodiamanten

Vum Grafit zum Diamant: Héichleeschtungsultraschall bitt e villverspriechende Wee fir d’Synthes vu mikro- an nanokristallinen Diamante bei Raumtemperatur an Atmosphärendrock. Intensiv akustesch Kavitatioun erméiglecht d’Bildung vun Diamanten a Grafitsuspensiounen an organesche Flëssegkeeten. Nieft der Synthes ënnerstëtzt d’Ultraschallbehandlung eng effikass Dispergéierung, Deagglomeratioun a Funktionaliséierung vun de resultéierenden Nanodiamanten – domat ass si e villsäitegt Instrument souwuel fir d’Produktioun wéi och fir d’Nobeaarbechtung.

Ultraschall fir d’Veraarbechtung vun Nanodiamanten

Nanodiamanten (och Detonatiounsdiamanten (DND) oder ultradispergéiert Diamanten (UDD) genannt) sinn eng speziell Form vu Kuelestoffnanomaterialien, déi sech duerch eenzegaarteg Charakteristiken – wéi hir Gitterstruktur, hir grouss Uewerfläch souwéi eenzegaarteg optesch a magnéitesch Eegenschaften – an aussergewéinlech Funktionalitéiten auszeechnen. D’Eegenschafte vun ultradispergéierte Partikele maachen dës Materialien zu innovative Verbindunge fir d’Schafung vun neie Materialie mat aussergewéinleche Funktiounen. D’Gréisst vun den Diamantpartikelen am Rous läit bei ongeféier 5nm.

Mat Ultraschall synthetiséiert Nanodiamanten

D’Synthes vun Diamanten ass e wichtegt Fuerschungsgebitt am Hibléck op wëssenschaftlech a kommerziell Interessen. Dat allgemeng benotzte Verfare fir d’Synthes vu mikro- an nanokristallinen Diamantpartikelen ass d’Héichdrock-Héichtemperatur-Technik (HPHT). Mat dëser Method ginn den néidege Prozessdrock vun Zéngdausende vun Atmosphären an Temperature vu méi wéi 2000K erzeugt, fir de gréissten Deel vun der weltwäiter Versuergung mat Industriediamanten ze produzéieren. Fir d’Ëmwandlung vu Grafit an Diamant sinn am Allgemengen héich Drécker an héich Temperaturen néideg, a Katalysatore gi benotzt, fir d’Ausbeut un Diamant ze erhéijen.
Déi fir d’Ëmwandlung néideg Bedéngunge kënne ganz effizient duerch den Asaz vu Héichleeschtungsultraschall (= Ultraschall mat niddreger Frequenz an héijer Intensitéit) erzeugt ginn:

Ultraschallkavitatioun

Ultraschall a Flëssegkeete verursaacht lokal ganz extrem Effekter. Bei der Ultraschallbehandlung vu Flëssegkeete mat héijen Intensitéite féieren d’Schallwellen, déi sech an de flëssege Medie verbreeden, zu ofwiesselenden Héichdrockzyklen (Kompressioun) an Nidderdrockzyklen (Verdënnung), deenen hir Widderhuelungsquot vun der Frequenz ofhänkt. Wärend dem Nidderdrockzyklus erzeugen Ultraschallwelle mat héijer Intensitéit kleng Vakuumblosen oder Huelraim an der Flëssegkeet. Wann d’Blosen e Volumen erreechen, bei deem si keng Energie méi ophuele kënnen, kollabéiere si hefteg wärend engem Héichdrockzyklus. Dëst Phenomeen nennt een Kavitatioun. Wärend der Implosioun gi lokal ganz héich Temperaturen (ongeféier 5.000K) an Drécker (ongeféier 2.000atm) erreecht. D’Implosioun vun der Kavitatiounsblos féiert och zu Flëssegkeetsstrale mat Vitessë vu bis zu 280m/s. (Suslick 1998) Et ass offensichtlech, datt sech mikro- an nanokristallin Diamanten am Beräich vun der duerch Ultraschall ausgeléister Kavitatioun synthetiséiere loosse kënnen.

An dësem Video weise mir Iech en Ultraschallsystem mat 2 Kilowatt fir den Inline-Betrib an engem mat Gas spülbare Schaf. Hielscher liwwert Ultraschallapparater fir bal all Industrien, wéi d'cheemesch, d'pharmazeutesch an d'Kosmetikindustrie, fir petrocheemesch Prozesser souwéi fir Extraktiounsprozesser mat Léisungsmëttel. Dëse mat Gas spülbare Schaf aus Edelstol ass fir de Betrib an explosiounsgeféierte Beräicher entworf. Zu dësem Zweck kann de Client den ofgedichte Schaf mat Stéckstoff oder frëscher Loft spülen, fir ze verhënneren, datt entzündlech Gasen oder Dämp an de Schaf erakommen.

Ultraschallverfare fir d’Synthes vun Nanodiamanten

Tatsächlech weist d’Studie vu Khachatryan et al. (2008), datt Diamantmikrokristaller och duerch d’Ultraschallbehandlung vun enger Suspensioun vu Grafit an enger organescher Flëssegkeet bei Atmosphärendrock a Raumtemperatur synthetiséiert kënne ginn. Als Kavitatiounsflëssegkeet gouf eng Formuléierung aus aromateschen Oligomere gewielt, well si en niddrege Sättigungsdampdrock an eng héich Kachtemperatur huet. An dëser Flëssegkeet gouf dat speziellt rent Grafitpolver – mat Partikelen am Beräich tëscht 100–200 µm – suspendéiert. An den Experimenter vu Kachatryan et al. war d’Masseverhältnis vu Feststoff zu Flëssegkeet 1:6, an d’Dicht vun der Kavitatiounsflëssegkeet louch bei 1,1g cm^-3 bei 25°C. Déi maximal Ultraschallintensitéit am Sonoreakter louch bei 75–80W cm^-2 wat enger Schalldrockamplitud vu 15–16 bar entsprécht.
Et gouf eng Ëmwandlung vu Grafit an Diamant vun ongeféier 10% erreecht. D’Diamante ware bal monodispers mat enger ganz enker, gutt definéierter Gréisst am Beräich vu 6 oder 9μm ± 0,5μm, mat kubescher, kristalliner Morphologie an héijer Rengheet.

Déi Käschten fir Mikro- an Nanodiamanten, déi mat dëser Method produzéiert ginn, ginn als konkurrenzfäeg am Verglach mam Héichdrock-Héichtemperatur-Verfaren (HPHT) ageschat. Dat mécht Ultraschall zu enger innovativer Alternativ fir d’Synthees vu Mikro- an Nanodiamanten (Khachatryan et al. 2008), besonnesch well de Produktiounsprozess vun Nanodiamanten duerch weider Ënnersichungen optiméiert ka ginn. Vill Parameteren, wéi Amplitud, Drock, Temperatur, Kavitatiounsflëssegkeet a Konzentratioun, musse genee ënnersicht ginn, fir déi optimal Bedéngunge fir d’Ultraschallsynthees vun Nanodiamanten ze fannen.
Op Basis vun de Resultater, déi bei der Synthees vun Nanodiamanten erreecht goufen, bitt duerch Ultraschall erzeugt Kavitatioun ausserdeem d’Potenzial fir d’Synthees vun anere wichtege Verbindungen, wéi kubeschem Bornitrid, Kuelestoffnitrid asw. (Khachatryan et al. 2008)
Ausserdeem schéngt et méiglech ze sinn, ënner Ultraschallbestralung Diamant-Nanodréit an Diamant-Nanostief aus méiwandege Kuelestoffnanoréier (MWCNTs) hierzestellen. Diamant-Nanodréit sinn eendimensional Analoge vu massivem Diamant. Wéinst sengem héijen Elastizitéitsmodul, sengem héije Verhältnes vu Festegkeet zu Gewiicht an der relativer Einfachheet, mat där seng Uewerfläche funktionaliséiert kënne ginn, huet sech Diamant als dat optimalt Material fir nanomechanesch Konstruktiounen erwisen. (Sun et al. 2004)

Dispergéiere vun Nanodiamante mat Ultraschall

Wéi scho beschriwwen, sinn d’Desagglomeratioun an déi gläichméisseg Partikelgréissteverdeelung am Medium wesentlech Viraussetzunge fir déi erfollegräich Notzung vun den eenzegaartegen Eegenschafte vun Nanodiamanten.
Dispersioun an Desagglomeratioun duerch Ultraschallbehandlung sinn d’Resultat vun der duerch Ultraschall erzeugter Kavitatioun. Wa Flëssegkeeten Ultraschall ausgesat ginn, féieren d’Schallwellen, déi sech an der Flëssegkeet ausbreeden, zu ofwiesselnden Héichdrock- an Nidderdrockzyklen. Doduerch ginn d’Unzéiungskräften tëscht den eenzele Partikele mechanesch belaascht. Ultraschallkavitatioun a Flëssegkeete verursaacht Flëssegkeetsstrale mat héije Vitessë vu bis zu 1000km/hr (ongeféier 600mph). Esou Strale pressen d’Flëssegkeet ënner héijem Drock tëscht d’Partikelen a trennen dës vuneneen. Méi kleng Partikele gi mat de Flëssegkeetsstrale beschleunegt a stousse mat héije Vitessen openeen. Dat mécht Ultraschall zu engem effektive Mëttel fir d’Dispergéieren, awer och fir d’ Muele vu Partikelen am Mikrometer- a Submikrometerberäich.
Zum Beispill kënnen Nanodiamanten (duerchschnëttlech Gréisst vun ongeféier 4nm) a Polystyrol a Cyclohexan dispergéiert ginn, fir e spezielle Komposit ze kréien. An hirer Etüd hunn Chipara et al. (2010) Kompositten aus Polystyrol an Nanodiamanten hiergestallt, déi Nanodiamanten an engem Beräich tëscht 0 a 25% vum Gewiicht enthalen. Fir eng gläichméisseg Dispersioun ze kréien, hu si d’Léisung 60 min laang mam Hielscher Ultraschallapparat Modell UIP1000hd mat enger Leeschtung vun 1000 Watt behandelt.
Léiert méi iwwer d’Desaggregatioun vun Nanodiamante mat Ultraschall!

Duerch Ultraschall ënnerstëtzte Funktionaliséierung vun Nanodiamanten

Fir déi ganz Uewerfläch vun all nanoskalëgem Partikel ze funktionaliséieren, muss d’Uewerfläch vum Partikel fir eng cheemesch Reaktioun zougänglech sinn. Dat bedeit, datt eng gläichméisseg a fein Dispersioun néideg ass, well déi gutt dispergéiert Partikele vun enger Grenzschicht aus Moleküllen ëmginn sinn, déi vun der Partikeluewerfläch ugezu ginn. Fir nei funktionell Gruppen op d’Uewerfläch vun Nanodiamanten ze bréngen, muss dës Grenzschicht opgebrach oder ewechgeholl ginn. Dëst Opbriechen an Ewechhuele vun der Grenzschicht ka mat Ultraschall duerchgefouert ginn.
Ultraschall, deen an eng Flëssegkeet ageleet gëtt, erzeugt verschidden extrem Effekter wéi Kavitatioun, lokal ganz héich Temperature vu bis zu 2000K a Flëssegkeetsstrale vu bis zu 1000km/hr. (Suslick 1998) Duerch dës Belaaschtungsfacteure kënnen d’Unzéiungskräften (z. B. Van-der-Waals-Kräften) iwwerwonne ginn, an déi funktionell Molekülle ginn op d’Uewerfläch vum Partikel transportéiert, fir zum Beispill d’Uewerfläch vun Nanodiamanten ze funktionaliséieren.

Experimenter mat der Behandlung duerch kugelënnerstëtzt sonesch Desintegratioun (Bead-Assisted Sonic Disintegration, BASD) hunn och villverspriechend Resultater fir d’Uewerflächefunktionaliséierung vun Nanodiamante gewisen. Dobäi goufe Kugelen (z. B. Keramikkugelen a Mikrogréisst wéi ZrO2-Kugelen) agesat, fir déi duerch Ultraschall verursaacht Kavitatiounskräften op d’Nanodiamantpartikelen ze verstäerken. D’Deagglomeratioun entsteet duerch d’Kollisiounen tëscht den Nanodiamantpartikelen an den ZrO₂ Kugelen.
Well d’Uewerfläch vun de Partikele besser zougänglech ass, gëtt fir cheemesch Reaktioune wéi d’Boranreduktioun, d’Aryléierung oder d’Silaniséierung eng Virbehandlung mat Ultraschall oder BASD (kugelënnerstëtzt sonesch Desintegratioun) fir d’Dispergéierung ausdrécklech recommandéiert. Duerch ultraschallgestëtzt Dispergéierung an Deagglomeratioun kann déi cheemesch Reaktioun vill méi vollstänneg oflafen.