Ultraschall Synthese vun Nanodiamanten
- Wéinst senger intensiver Kavitatiounskraaft ass Power Ultraschall eng villverspriechend Technik fir Mikron- an Nano-Gréisst Diamanten aus Grafit ze produzéieren.
- Mikro- an Nano-kristallin Diamanten kënnen synthetiséiert ginn fir eng Suspension vu Grafit an organescher Flëssegkeet bei Atmosphärendrock a Raumtemperatur ze sonicéieren.
- Ultrasonic ass och e hëllefräich Tool fir d'Postveraarbechtung vun de synthetiséierte Nano-Diamanten, well d'Ultraschall disperséiert, deagglomeréiert a funktionéiert Nanopartikel ganz effektiv.
Ultrasonics fir Nanodiamond Behandlung
Nanodiamanten (och Detonatiounsdiamanten (DND) oder ultradisperséiert Diamanten (UDD) genannt) sinn eng speziell Form vu Kuelestoff Nanomaterialien, déi duerch eenzegaarteg Charakteristiken ënnerscheeden - wéi z. Gitter Struktur, seng grouss Uewerfläch, wéi och eenzegaarteg optesch an magnetesch Eegeschaften - an aussergewéinlech Uwendungen. D'Eegeschafte vun ultradispergéierte Partikelen maachen dës Materialien innovativ Verbindunge fir d'Schafung vun neie Materialien mat aussergewéinleche Funktiounen. D'Gréisst vun den Diamantpartikelen am Rous ass ongeféier 5nm.
Ënner intensiv Kräften, wéi sonication oder Detonatioun, GRAPHITE kann an Diamant transforméiert ginn.
Ultraschall synthetiséiert Nanodiamanten
D'Synthese vun Diamanten ass e wichtegt Fuerschungsfeld betreffend wëssenschaftlech a kommerziell Interessen. Den allgemeng benotzte Prozess fir d'Synthese vu mikrokristallinen an nanokristallinen Diamantpartikelen ass d'High-Pressure-High Temperatur (HPHT) Technik. Duerch dës Method gëtt den erfuerderleche Prozessdrock vun Zéngdausende vun Atmosphären an Temperaturen vu méi wéi 2000K generéiert fir den Haaptdeel vun der weltwäiter Versuergung vun industriellen Diamanten ze produzéieren. Fir d'Transformatioun vu Grafit an Diamant sinn allgemeng héich Drock an héich Temperaturen erfuerderlech, a Katalysatoren gi benotzt fir d'Ausbezuelung vum Diamant ze erhéijen.
Dës Ufuerderunge fir Transformatioun néideg kënne ganz effizient duerch d'Benotzung vun generéiert ginn héich Muecht Ultraschall (= niddereg Frequenz, héich Intensitéit Ultraschall):
Ultraschall Kavitatioun
Ultraschall a Flëssegkeete verursaacht lokal ganz extremen Effekter. Wann d'Sonicatioun vu Flëssegkeeten mat héijer Intensitéiten, d'Schallwellen, déi an de flëssege Medien propagéieren, resultéieren an alternéierend Héichdrock (Kompressioun) a Low-Drock (Rarefaction) Zyklen, mat Tariffer ofhängeg vun der Frequenz. Wärend dem nidderegen Drockzyklus kreéieren Héichintensitéit Ultraschallwellen kleng Vakuumblasen oder Void an der Flëssegkeet. Wann d'Blasen e Volumen erreechen, bei deem se keng Energie méi absorbéiere kënnen, kollapsen se während engem Héichdrockzyklus hefteg. Dëst Phänomen gëtt genannt Kavitatioun. Bei der Implosioun ginn lokal ganz héich Temperaturen (ongeféier 5.000K) an Drock (ongeféier 2.000atm) erreecht. D'Implosioun vun der Kavitatiounsblase resultéiert och zu Flëssegstrale vu bis zu 280m/s Geschwindegkeet. (Suslick 1998) Et ass evident datt Mikro- an nano-kristallin Diamanten kënnen am Feld vun Ultraschall synthetiséiert ginn Kavitatioun.
Ultrasonic Prozedur fir d'Synthese vun Nanodiamanten
De facto, d'Studie vum Khachatryan et al. (2008) weist datt Diamant Mikrokristalle kënnen och duerch d'Ultraschall vun enger Suspension vu Grafit an organescher Flëssegkeet bei Atmosphärendrock a Raumtemperatur synthetiséiert ginn. Als Kavitatiounsflëssegkeet ass eng Formel vun aromatesche Oligomere gewielt ginn wéinst sengem nidderegen gesättigte Dampdrock a senger héijer Kachtemperatur. An dëser Flëssegkeet ass de spezielle pure Grafitpulver – mat Partikelen am Beräich tëscht 100-200 µm - suspendéiert gouf. An den Experimenter vu Kachatryan et al., war de festen-flëssege Gewiichtsverhältnis 1:6, d'Kavitatiounsflëssegkeetsdicht war 1,1g cm-3 bei 25°C. Déi maximal Ultraschallintensitéit am Sonoreaktor war 75-80W cm-2 entsprécht enger Schalldrockamplitude vu 15-16 Bar.
Et gouf ongeféier eng 10% Grafit-zu-Diamant Konversioun erreecht. D'Diamanten ware bal mono-disperséiert mat enger ganz scharfen, gutt entworfen Gréisst am Beräich vun 6 oder 9μm ± 0,5μm, mat Kubikzentimeter, kristallin Morphologie u héich Rengheet.
SEM Biller vun der ultraschall synthetiséiert Diamanten: Biller (a) an (b) weisen d'Prouf Serie 1, (c) an (d) d'Prouf Serie 2. [Khachatryan et al. 2008]
Déi Käschten vu Mikro- an Nanodiamanten, déi duerch dës Method produzéiert ginn, gëtt geschat kompetitiv mam High-Pressure-High-Temperature (HPHT) Prozess. Dëst mécht Ultraschall eng innovativ Alternativ fir d'Synthese vu Mikro- an Nano-Diamanten (Khachatryan et al. 2008), besonnesch well de Produktiounsprozess vun Nanodiamanten duerch weider Ermëttlungen optimiséiert ka ginn. Vill Parameteren wéi Amplitude, Drock, Temperatur, Kavitatiounsflëssegkeet a Konzentratioun musse präzis iwwerpréift ginn fir de séiss Fleck vun der Ultraschall Nanodiamant Synthese ze entdecken.
Duerch d'Resultater erreecht bei der Synthetiséierung vun Nanodiamanten, weider Ultraschall generéiert Kavitatioun bitt de Potenzial fir d'Synthese vun anere wichtege Verbindungen, wéi kubesch Bornitrid, Kuelestoffnitrid etc. (Khachatryan et al. 2008)
Weider schéngt et méiglech ze sinn Diamant Nanowires an Nanorods aus Multi-walled Carbon Nanotubes (MWCNTs) ënner Ultraschallbestralung ze kreéieren. Diamant Nanowires sinn eendimensional Analoga vum Bulk Diamant. Wéinst sengem héijen elastesche Modul, Stäerkt-zu-Gewiicht Verhältnis, an der relativer Liichtegkeet mat där seng Flächen funktionaliséiert kënne ginn, gouf Diamant fonnt als dat optimale Material fir nanomechanesch Designen. (Sonn et al. 2004)
Ultraschall Verdeelung vun Nanodiamanten
Wéi scho beschriwwen, sinn d'Deagglomeratioun an déi gläichméisseg Partikelgréisst Verdeelung am Medium wesentlech fir déi erfollegräich Ausbeutung vun eenzegaartege Charakteristiken vun Nanodiamanten.
Dispersioun an Deagglomeratioun duerch Ultraschall sinn e Resultat vun Ultraschall Kavitatioun. Wann Dir Flëssegkeeten un Ultraschall aussetzt, resultéieren d'Schallwellen, déi an d'Flëssegkeet propagéieren, ofwiesselnd Héichdrock- a Low-Drock-Zyklen. Dëst applizéiert mechanesch Belaaschtung op d'Attraktioun Kräften tëscht den eenzelne Partikel. Ultraschall Kavitatioun a Flëssegkeete verursaacht Héichgeschwindegkeet Flëssegjets vu bis zu 1000km/h (ongeféier 600mph). Esou Jets drécken Flëssegkeet ënner héijen Drock tëscht de Partikelen a trennen se vuneneen. Méi kleng Partikele gi mat de Flëssegstrahlen beschleunegt a kollidéiere mat héijer Geschwindegkeet. Dëst mécht den Ultraschall zu engem efficace Mëttel fir d'Verbreedung awer och fir de milling vu Mikrongréisst an Ënnermikrongréisst Partikel.
Zum Beispill kënnen Nanodiamanten (Duerchschnëttgréisst vu ronn 4nm) a Polystyrol an Cyclohexan dispergéiert ginn fir e spezielle Komposit ze kréien. An hirer Etude, Chipara et al. (2010) hunn Komposite vu Polystyrol an Nanodiamanten virbereet, mat Nanodiamanten an enger Rei tëscht 0 an 25% Gewiicht. Fir e souguer ze kréien Dispersioun, si hunn d'Léisung fir 60 min mat Hielscher's sonikéiert UIP1000hd (1 kW).
Ultraschall assistéiert Funktionaliséierung vun Nanodiamonds
Fir d'Funktionaliséierung vun der kompletter Uewerfläch vun all Nano-Gréisst Partikel, muss d'Uewerfläch vum Partikel fir chemesch Reaktioun verfügbar sinn. Dëst bedeit datt eng gläichméisseg a fein Dispersioun erfuerderlech ass well déi gutt verdeelt Partikele vun enger Grenzschicht vu Molekülen ëmgi sinn, déi op d'Partikeluewerfläch ugezunn sinn. Fir nei funktionell Gruppen op d'Uewerfläch vun Nanodiamanten ze kréien, muss dës Grenzschicht gebrach oder ewechgeholl ginn. Dëse Prozess vu Paus an Entfernung vun der Grenzschicht kann duerch Ultraschall gemaach ginn.
Ultraschall a Flëssegkeet agefouert generéiert verschidden extrem Effekter wéi z Kavitatioun, lokal ganz héich Temperaturen bis zu 2000K a Flëssegjets vu bis zu 1000km/h. (Suslick 1998) Duerch dës Stressfaktoren kënnen d'Attraktiounskräften (zB Van-der-Waals Kräfte) iwwerwonne ginn an déi funktionell Moleküle ginn op d'Uewerfläch vum Partikel gedroen fir ze funktionaliséieren, zB Nanodiamanten Uewerfläch.
Schema 1: Grafik vun der in situ-Deagglomeratioun an der Uewerflächefunktionaliséierung vun Nanodiamanten (Liang 2011)
Experimenter mat der Bead-Assisted Sonic Disintegration (BASD) Behandlung hunn villverspriechend Resultater fir d'Uewerflächfunktioun vun Nanodiamanten och gewisen. Doduerch goufen Perlen (zB Mikro-Gréisst Keramik Perlen wéi ZrO2 Perlen) benotzt fir den Ultraschall z'erhalen cavitational Kräften op d'Nanodiamantpartikelen. D'Deagglomeratioun geschitt wéinst der interpartikulärer Kollisioun tëscht den Nanodiamantpartikelen an dem ZrO2 pärelen.
Wéinst der besserer Disponibilitéit vun der Uewerfläch vun der Partikel, fir chemesch Reaktiounen wéi d'Boran Reduktioun, Arylatioun oder Silaniséierung, ass eng Ultraschall- oder BASD (Kéier-assistéiert Klangdesintegratioun) Virbehandlung fir Dispergéierungszwecker héich recommandéiert. Duerch Ultraschall Dispergéieren an Deagglomeratioun déi chemesch Reaktioun ka vill méi komplett virugoen.
Ultraschall Kaviatatioun resultéiert an extremen Temperatur- an Drockdifferenzen an Héichgeschwindeg Flëssegjets. Dofir ass Kraaft-Ultraschall eng erfollegräich Veraarbechtungsmethod fir Vermëschung a Fräsanwendungen.
Kontaktéiert eis! / Frot eis!
Literatur / Referenzen
- Khachatryan, A. Kh. et al.: Grafit-zu-Diamant Transformatioun induzéiert duerch Ultraschallkavitatioun. An: Diamant & Zesummenhang Material 17, 2008; 931-936.
- Galimov, Erik & Kuden, A. & Skorobogatskii, V. & Plotnichenko, V. & Bondarev, O. & Zarubin, B. & Strazdovskii, V. & Aronin, Alexandr & Fisenko, A. & Bykov, I. & Barinov, A.. (2004): Experimentell Bestätegung vun der Synthese vum Diamant am Kavitatiounsprozess. Doklady Physik – DOKL PHYS. 49. 150-153.
- Turcheniuk, K., Trecazzi, C., Deeleepojananan, C. & Mochalin, VN (2016): Salz-Assisted Ultrasonic Deaggregation vun Nanodiamond. ACS applizéiert Materialien & Interfaces, 8(38), 25461–25468.
- Basma H. Al-Tamimi, Iman I. Jabbar, Haitham M. Al-Tamimi (2919): Synthese a Charakteriséierung vun nanokristallinem Diamant aus Grafit Flakelen iwwer e Kavitatiounsgeförderte Prozess. Heliyon, Volume 5, Issue 5. 2019.
- Krueger, A.: D'Struktur an d'Reaktivitéit vum Nanoscale Diamant. In: J Mater Chem 18, 2008; S. 1485-1492.
- Liang, Y.: Deagglomerierung und Oberflächenfunktionalisierung von Nanodiamant Mittels Thermochemischer und mechanochemischer Methoden. Dissertation Julius-Maximilian-Universität Würzburg 2011.
- Osawa, E.: Monodisperse eenzel Nanodiamantpartikelen. An: Pure Appl Chem 80/7, 2008; S. 1365-1379.
- Pramatarova, L. et al.: De Virdeel vu Polymer Composites mat Detonatioun Nanodiamant Partikel fir medizinesch Uwendungen. An: Iwwer Biomimetik; S. 298-320.
- Sonn, L.; Gong, J.; Zhu, D.; Zhu, Z.; He, S.: Diamond Nanorods from Carbon Nanotubes. An: Fortgeschratt Materialien 16/2004. S. 1849-1853.
- Suslick, KS: Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology. 4e ed. J. Wiley & Jongen: New York; 26, 1998; S. 517-541.
- Chipara, AC et al.: Thermal Properties vun Nanodiamantpartikelen, déi am Polystyrol dispergéiert sinn. HESTEC 2010.
- El-Say, KM: Nanodiamonds als Drogen Liwwerung System: Applikatioun a prospektiv. An J Appl Pharm Sci 01/06, 2011; S. 29-39.
nanodiamonds – Benotzen an Uwendungen
D'Nanodiamant Käre sinn onbestänneg wéinst hirem Zeta-Potenzial. Doduerch tendéieren se héich fir Aggregate ze bilden. Eng gemeinsam Applikatioun vun Nanodiamanten ass d'Benotzung a Schleifmëttelen, Schneid- a Polierinstrumenten an Heizkierper. Eng aner potenziell Notzung ass d'Applikatioun vun Nanodiamanten als Drogenträger fir pharmazeutesch aktiv Komponenten (cf. Pramatarova). Vun ultrasonication, éischtens Nanodiamante kënnen aus Graphit synthetiséiert ginn an zweetens kënnen d'Nanodiamanten déi staark zu Agglomeratioun tendéieren gläichméisseg sinn verspreet a flëssege Medien (zB fir e Poliermëttel ze formuléieren).