Ultraschall Synthese vun Nanodiamonds

Duerch seng intensiv kavitational Kraaft ass Energiekraaft Ultraschall eng verspriechend Technik fir Mikron- a Nano-Grands Diamanten aus Grafit ze produzéieren.
Mikro- a nano-kristalline Diamanten kënnen synthetiséiert ginn fir d'Suspension vum Graphit an der organescher Flëssegkeet bei Atmosphärendruck a Raumtemperatur ze sonicéieren.
Ultraschall ass och e praktescht Instrument fir d'Postveraarbechtung vun den synthetiséierte Nano-Diamanten, wéi d'Ultraschart disperséiert, deagglomeréiert an funktionnéiert Nano-Partikelen ganz effektiv.

Ultraschall fir Nanodiamond Behandlung

Nanodiamonds (och als Detonatioun Diamanten (DND) oder Ultradispersed Diamanten (UDD genannt) sinn eng speziell Form vu Kuelematerial, déi duerch eemolege Charakteristike ënnerscheet - wéi seng Gitter Struktur, säin groussen Uewerfläch, wéi och e unique optesch an Magnéitfeld Eegeschaften - an aussergewéinlech Uwendungen. Déi Eegeschafte vun ultradispersen Partikel bäi dës Materialien innovative Verbindungen fir d'Schafung vun neie Material mat aussergewéinleche Fonctiounen. D'Gréisst vun den Diamant-Partikelen am Ruß ass ongeféier 5 nm.

Ënnert intensiv Kräften, wéi zB d'Sonik oder d'Detonatioun, kann d'Grafik zu Diamanten ëmgewandelt ginn.

Ultraschallsynthesiséiert Nanodiamonds

D'Synthese vun Diamanten ass e wichtege Fuerscherfeld iwwer wëssenschaftlech an kommerziell Interessen. Am allgemengen benotzte Prozess fir d'Synthese vun mikrokristalliner an nano-kristalliner Diamant-Partikel ass d'High-Pressure-High-Temperature (HPHT) Technik. Mat dëser Methode gëtt de noutwännesche Prozessdruck vun zéngdausende Atmosphär an Temperaturen vu méi wéi 2000 K produzéiert fir den Haaptaktionär vun der weltwäiter Versuergung fir Industrie-Diamanten ze produzéieren. Fir d'Transformatioun vum Graphit an den Diamanten, an allgemeng staarken Dréchenten an héijer Temperaturen noutwendeg sinn, a Katalysatoren ginn benotzt fir d'Ausbezuele vu Diamanten ze erhéijen.
Dës Ufroen, déi fir d'Transformation brauchn, kënnen extrem effizient duerch d'Verwäertung generéiert ginn High Power Ultrasound (= niddereg Frequenz, héich Intensitéit Ultraschall):

Ultraschall Kavitation

Ultrasound an Flëssegkeeten bewirtschaftt lokal extrem Extremen. Wann d'Flëssegkeete bei Héichentzündelen klëmmt, hunn d'Schallwellen, déi an de Flammmëttel verbreet sinn, zu alternéierende High Pressure (Kompressioun) an Ënnerdréckungszyklen (niddreg). Während dem Drock-Zyklus, héich Ultraschallwellen erstallt kleng Vakuumbelueden oder Helleg an der Liquiditéit. Wann d'Blasen zu engem Volume bäibehalen, bei deem se net méi Energie méi absorbéieren kënnen, wëlle se heiansdo während engem Hochdruckzyklus. Dëse Phänomen gëtt genannt Kavitation. Während der Implosioun extrem Temperaturen (ongeféier 5.000 K) an Drëchen (ongeféier 2.000atm) lokal lokal gelauschtert ginn. D'Implosioun vun der Kavitationbléck kënnt och zu Liquiditéiten vun bis zu 280m / s Geschwindigkeit. (Suslick 1998) Et ass evident datt Mikro- a Nano-Kristallin D'Diamanten kënnen an der Plaz vun der Ultraschall synthetiséiert ginn Kavitation.

1.5kW Ultraschaler fir d'Partikelenveraarbechtung (Klickt fir ze vergréisseren)

Ultrasonicator UIP1500hdT (1500W)

Ultraschallprozedur fir d'Synthese vun Nanodiamonds

De Fakt, d'Uni vu Khachatryan et al. (2008) weist datt d'Diamant-Mikrokristalle kënnen duerch d'Ultraschung vun enger Ofdrockung vu Graphit an der organescher Flëssegkeet bei Atmosphärendruck a Raumtemperatur synthetiséiert ginn. Als Kavitation Flësseg ass eng Formel vun aromatesche Oligomeren gewiesselt wéinst senger geréng gesättleche Drocktemperatur a senger héich siedeger Temperatur. An dëser Liquiditéit ass de spezielle reinen Graphitpulver – mat Partikelen am Beräich tëscht 100-200 μm - gouf suspendéiert. An den Experimentéiere vu Kachatryan et al., Gouf de Solid-Fluid Gewiicht-Verhältnis 1: 6, d'Kavitation Flëssdichte war 1,1 g cm^-3 25 ° C. Déi maximal Ultraschallintensitéit am Sonoreaktor ass 75-80W cm^-2 deen zu enger Schalldruckamplitude vun 15-16 Bar entsprécht.
Et gouf ëm eng 10% Grafitt-bis-Diamant-Konvertatioun erzielt. D'Diamanten sinn bal mono- dispersiséiert sinn mat enger scharfen, gutt entwéckelten Gréisst am Bereich vu 6 oder 9 μm ± 0.5μm, mat kuboem, kristallin Morphologie a héijer Sauerei.

Ultrasonically synthesized diamonds (SEM images): High power ultrasound provides the energy required to induce nanodiamonds' synthsis

SEM Biller vun den ultrasone synthetiséierte Diamanten: Biller (a) a (b) weisen d'Probereiere 1, (c) an (d) d'Probereihe 2. [Khachatryan et al. 2008]

De Käschten vu Mikro- an Nanodiamonden, déi vun dëser Methode produzéiert ginn, geschat ginn kompetitiv sinn mam HHT-Prozess. Dëst mécht Ultraschall eng innovativ Alternativ fir d'Synthese vu Mikro- a Nano-Diamanten (Khachatryan et al. 2008), besonnesch wann de Produktionsprozess vun Nanodiamonden duerch weider Ermëttlungen optiméiert gëtt. Vill Parameter déi esou Amplitude, Drock, Temperatur, Kavitation Flëss a Konzentratioun musse genee präziséiert ginn fir de séiss Fleck vun der Ultraschall Nanodiamond Synthese ze entdecken.
Duerch d'Resultater, déi an d'Nanodiamondes synthetiséiere goufen, gëtt weider Ultraschall generéiert Kavitation de Potenzial fir d'Synthese vun aner wichtegst Verbindungen, wéi kubanesch Nitrid, Kohlennitrid etc. (Khachatryan et al. 2008)
Ausserdeem ass et méiglech datt Diamant Nanovier a Nanoroden aus multi- wallen Carbon Nanotubes (MWCNTs) bei Ultraschallbestrahlung erstallt ginn. Diamant Nanowires sinn e-dimensionale Analog vu Masse Diamanten. Wéinst hirem héije elastesche Modul, Stärke-Gewiicht-Verhältnis a relativ Relativitéit mat deem seng Uewerflächen funktiounsméisseg funktionnéiert, gouf de Diamant als optimale Material fir nomechanical Designs fonnt. (Sonn et al 2004)

Ultrascholle Dispersioun vun Nanodiamonds

Wéi scho gesot, d'Deagglomeratioun an d'Deelzäitgréisstenverdeelung an dem Medium sinn essentiel fir d'erfollegräicht Ausnotwendegkeet vun den unique Charakteristiken vun Nanodiamonds.
Dispersioun an Dekagglomeratioun duerch Ultraschall sinn e Resultat vun Ultraschall Kavitation. Beim Belaaschtung vu Flëssegkeeë fir Ultraschall entstinn d'Schallwellen, déi an d'Liquiditéit propagéieren, zu alternierend Héich- a Low-Pressure-Zyklen. Dëst befaasst mechanesch Belaaschtung fir d'Attraktivitéiten tëscht den eenzelne Partikelen. Ultraschall Kavitationen an Flëssegkeeten bewirken Hochgeschwindegkeet Flüssegkeet Düsen bis 1000 km / h (ca. 600mph). Dëse Jet presse Flëss bei engem Héichdréck tëschent den Partikelen a trennt se vuneneen. Kleng Partikel gëtt mat de Flëssstoffer beschleunegt an op grousse Geschwindegkeet kollidéiert. Dëst mécht Ultraschall eng effektiv Aart a Weis fir d'Dispersioun, awer och fir de Fräiraum vu Micron-Gréisst a Sub-Mikron-Partikelen.
Zum Beispill, Nanodiamonden (duerchschnëttlech Gréisst vun ongeféier 4nm) an Polystyrol kann a Cyclohexan dispergéiert ginn fir e speziellen Composit ze kréien. An hirer Etude, Chipara et al. (2010) hunn Composite vu Polystyrol an Nanodiamonden preparéiert, déi Nanodiamonden an engem Bereich tëschen 0 bis 25% Gewicht hunn. Fir e souguer ze kréien DispersiounSi hunn d'Léisung fir 60 min mat Hielscher's beschiedegt UIP1000hd (1kW).

Ultraschall ënnerstëtzt Funktionaliséierung vun Nanodiamonds

Fir d'Funktionaliséierung vun der kompletter Uewerfläch vun all Nano-Partikelen muss d'Uewerfläch vum Partikel fir chemesch Reaktioun sinn. Dëst bedeit datt eng souguer e feine Dispersioun néideg ass wéi déi gutt dispergéiert Deelchen mat engem Grenzschicht vu molekulare an der Partikeloberfläche gezunn sinn. Fir nei Funktionsgruppen op d'Nanodiamondes Uewerfläch ze kréien, dës Grenzschicht muss gebrach oder geläscht ginn. Dëse Prozess vu Paus an Ausnam vun der Grenzschicht kann duerch Ultrasone gemaach ginn.
Ultrasound ageféiert an der Liquiditéit generéiert verschidde extremen Effekter wéi Kavitation, lokal ganz héije Temperatur bis zu 2000 K an Liquidatiounsdüsen bis 1000 km / h. (Suslick 1998) Duerch dës Stress Faktoren kënnen d'Attraktivitéiten (z. B. Van-der-Waals-Kräften) iwwerwonne ginn an d'funktionell Moleküle ginn op d'Uewerfläch vun der Partikel fonctionnéieren, zB Nanodiamonds 'Uewerfläch.

Ënner mächteg Ultraschallbestralung (zB mat Hielscher UIP2000hdT) gëtt et méiglech, d'Nanodiamonds effizient ze synthetizéieren, ze deagglomeréieren.

Schema 1: Grafik vun der In situ-Deagglomeratioun an Uewerflächenfunktionaliséierung vun Nanodiamonds (Liang 2011)

Experimenter mat der Bead-assisted Sonic Disintegration (BASD) Behandlung hunn villverspriechend Resultater fir d'Oberflächenfinaliséierung vun Nanodiamonds ze weisen. Duerfir sinn Pärelen (zB Mikro-Gréissten Keramikprayer wéi ZrO2 Perlen) benotzt ginn fir den Ultraschall ze maachen cavitational Kräften op d'Nanodiamondpartikelen. Deagglomeratioun fällt wéinst der interpartikulärer Kollisioun tëscht den Nanodiamondpartikelen an dem ZrO₂ Pärelen.
Duerch d'bessere Verfügbarkeit vun der Uewerfläch Uewerfläch, fir chemesch Reaktiounen wéi d'Boranreduktioun, Aryléierung oder Silanisatioun, e Ultraschall oder BASD (Perlengeschaffte sonik zerfallend) Ofbehandlung fir Dispersiounsziler ass recommandéiert. Duerch Ultraschall ufänken an Dekagglomeratioun D'chemesch Reaktioun kann vill méi komplett virleeën.

Wann héich Kraaft, Null-Frequenz-Ultraschall an e flëssege Medium virgestallt gëtt, gëtt Kavitation generéiert.

Ultraschall Kaviatatioun ergëtt sech extrem Temperatur- an Drockdifferen an High-Speed Flëssflugjets. Dofir ass d'Kraaft Ultraschall eng erfollegräich Veraarbechtungsmethod fir Mëschung an Mëllech Applikatiounen.

Literatur / nëmmen

Chipara, AC et al .: Wärmeg Properties vun Nanodiamond-Partikeln, dispergéiert an Polystyrol. HESTEC 2010.
El-Say, KM: Nanodiamonds als Drogen Liwwersystem: Applikatioun an Interessi. Am J Appl Pharm Sci 01/06, 2011; pp. 29-39.
Khachatryan, A. Kh. et al .: Graphit-a-Diamant Transformation, induzéiert duerch Ultraschallkavitation. In: Diamant & Verknüpfter Materialen 17, 2008; pp931-936.
Krueger, A .: D'Struktur an d'Reaktivitéit vum Nanoscale-Diamant. An: J Mater Chem 18, 2008; S. 1485-1492.
Liang, Y .: Deagglomeratioun a Oberflächenfunktionaliséierung vun Nanodiamant duerch thermochemische a mechanochemesche Methoden. Dissertation Julius-Maximilian-Universität Würzburg 2011.
Osawa, E .: Monodispers eenzel Nanodiamondpartikelen. An: Pure Appl Chem 80/7, 2008; pp. 1365-1379.
Pramatarova, L. et al .: De Virdeel vu Polymer Composites mat Detonatioun Nanodiamond Partikeln fir Medizineschen Applikatiounen. In: On Biomimetics; pp. 298-320.
Sonn, L .; Gong, J .; Zhu, D .; Zhu, Z .; Hien, S .: Diamant Nanorods aus Kach Nanoröhren. In: Avancéiert Material 16/2004. pp 1849-1853.
Suslick, KS: Kirk-Othmer Enzyklopedie vun chemescher Technologie. 4. Ed. J. Wiley & Sons: New York; 26. August 1998 pp. 517-541.

Nanodiamonds – Benotzung a Applikatiounen

D'Nanodiamond Kriessen sinn onbestänneg wéinst hirem Zeta-Potenzial. Thereby, si tendéieren héich Aggregaten. Eng gemeinsam Applikatioun vun Nanodiamonden ass d'Benotze vu Schleifmëttel, Ausschneiden an Polierinstrumenten an Hëtzt. Eng aner potenziell Verwäertung ass d'Applikatioun vun Nanodiamonden als Drogenmeeschter fir pharmazeutesch aktive Komponenten (vgl. Pramatarova). By Ultraschall, éischtens Nanodiamond kann aus Graphit synthetiséiert ginn, an zweetens kënnen d'Nanodiamonds déi extrem agglomeréiert ginn sinn gleichméisseg verspreet sinn a flëssege Medien (z. B. fir e Poliermëttel ze formuléieren).