Nanodiamondu ultraskaņas sintēze
- Pateicoties intensīvajam kavitācijas spēkam, jaudas ultraskaņa ir daudzsološa tehnika, lai no grafīta ražotu mikronu un nano izmēra dimantus.
- Mikro- un nanokristāliskos dimantus var sintezēt ar ultraskaņu, apstrādājot grafīta suspensiju organiskā šķidrumā atmosfēras spiedienā un istabas temperatūrā.
- Ultraskaņa ir arī noderīgs līdzeklis sintezēto nano dimantu pēcapstrādei, jo ultrasonication izkliedē, deagglomerātus un funkcionalizē nano daļiņas ļoti efektīvi.
Ultrasonics nanodiamond ārstēšanai
Nanodiamonds (saukts arī par detonācijas dimantiem (DND) vai ultradispersiem dimantiem (UDD)) ir īpašs oglekļa nanomateriālu veids, kas izceļas ar unikālām īpašībām, piemēram, tā Režģis struktūra, tās lielā Virsma, kā arī unikāls Optisko un Magnētisko īpašības – un izņēmuma pielietojums. Ultradisperso daļiņu īpašības padara šos materiālus novatoriskus savienojumus, lai radītu jaunus materiālus ar ārkārtas funkcijām. Dimanta daļiņu izmērs kvēpos ir apmēram 5nm.
Ultrasoniski sintezēti nanodiamondi
Dimantu sintēze ir svarīga pētniecības joma, kas saistīta ar zinātniskām un komerciālām interesēm. Parasti izmantotais mikrokristālisko un nanokristālisko dimanta daļiņu sintēzes process ir augstspiediena-augstas temperatūras (HPHT) metode. Ar šo metodi tiek radīts nepieciešamais procesa spiediens desmitiem tūkstošu atmosfēru un temperatūra, kas pārsniedz 2000K, lai ražotu lielāko daļu no rūpnieciskā dimanta piegādes visā pasaulē. Grafīta pārveidošanai par dimantu parasti ir nepieciešami augsti spiedieni un augstas temperatūras, un dimanta ražas palielināšanai tiek izmantoti katalizatori.
Šīs pārveidošanai nepieciešamās prasības var radīt ļoti efektīvi, izmantojot: lieljaudas ultraskaņa (= zema frekvence, augstas intensitātes ultraskaņa):
Ultraskaņas kavitācija
Ultraskaņa šķidrumos izraisa lokāli ļoti ekstremālus efektus. Apstrādājot šķidrumus ar augstu intensitāti, skaņas viļņi, kas izplatās šķidrā vidē, izraisa mainīgus augstspiediena (kompresijas) un zema spiediena (retināšanas) ciklus, kuru ātrums ir atkarīgs no frekvences. Zema spiediena cikla laikā augstas intensitātes ultraskaņas viļņi šķidrumā rada mazus vakuuma burbuļus vai tukšumus. Kad burbuļi sasniedz tilpumu, pie kura tie vairs nespēj absorbēt enerģiju, augstspiediena cikla laikā tie vardarbīgi sabrūk. Šo parādību sauc par Kavitāciju. Implosijas laikā ļoti augsta temperatūra (aptuveni 5,000K) un spiediens (aptuveni 2,000atm) tiek sasniegti lokāli. Kavitācijas burbuļa implosija izraisa arī šķidruma strūklu ar ātrumu līdz 280m / s. (Suslick 1998) Ir acīmredzams, ka mikro- un nanokristālisks Dimanti var tikt sintezēti ultraskaņas jomā Kavitāciju.
Ultraskaņas procedūra nanodiamondu sintēzei
(2008) pētījums liecina, ka dimanta mikrokristālus var sintezēt arī ar grafīta suspensijas ultrasonikāciju organiskajā šķidrumā atmosfēras spiedienā un istabas temperatūrā. Kā kavitācijas šķidrums ir izvēlēta aromātisko oligomēru formula tā zemā piesātinātā tvaika spiediena un augstās viršanas temperatūras dēļ. Šajā šķidrumā īpašais tīrais grafīta pulveris – ar daļiņām diapazonā no 100 līdz 200 μm – ir suspendēts. Kachatryan et al. eksperimentos cietā šķidruma svara attiecība bija 1:6, kavitācijas šķidruma blīvums bija 1,1 g cm-3 25°C temperatūrā. Maksimālā ultraskaņas intensitāte sonoreaktorā ir bijusi 75-80W cm-2 kas atbilst skaņas spiediena amplitūdai 15-16 bāri.
Tas ir sasniegts aptuveni 10% grafīta-dimanta pārveidošana. Dimanti bija gandrīz monodisperģēts ar ļoti asu, labi izstrādātu izmēru diapazonā no 6 vai 9μm ± 0,5μm, ar kubisku, kristālisks morfoloģija un augsta tīrība.
Gada Izmaksas tiek lēsts, ka ar šo metodi iegūto mikro- un nanodiamondu ir Konkurences ar augstspiediena-augstas temperatūras (HPHT) procesu. Tas padara ultraskaņu par novatorisku alternatīvu mikro- un nano-dimantu sintēzei (Khachatryan et al. 2008), jo īpaši tāpēc, ka nanodiamondu ražošanas procesu var optimizēt, veicot turpmākus pētījumus. Daudzi parametri, piemēram, amplitūda, spiediens, temperatūra, kavitācijas šķidrums un koncentrācija, ir jāpārbauda precīzi, lai atklātu ultraskaņas nanodiamond sintēzes saldo vietu.
Ar rezultātiem, kas sasniegti, sintezējot nanodiamondus, tālāk ultrasoniski ģenerēti Kavitāciju piedāvā citu svarīgu savienojumu, piemēram, kubiskā bora nitrīda, oglekļa nitrīda u.c., sintēzes potenciālu (Khachatryan et al. 2008)
Turklāt šķiet, ka ultraskaņas apstarošanā ir iespējams izveidot dimanta nanoviļņus un nanorodus no daudzsienu oglekļa nanocaurulēm (MWCNTs). Dimanta nanoviļņi ir viendimensionāli beztaras dimanta analogi. Pateicoties augstajam elastīgajam modulim, izturības un svara attiecībai un relatīvajam vieglumam, ar kādu tā virsmas var funkcionalizēt, dimants ir atzīts par optimālu materiālu nanomehāniskiem dizainiem. (Saule et al. 2004)
Nanodiamondu ultraskaņas izkliedēšana
Kā jau minēts, deagglomerācija un vienmērīgs daļiņu izmēra sadalījums vidē ir būtiski nanodiamondu unikālo īpašību veiksmīgai izmantošanai.
Dispersijas un deagglomerācija ar ultrasonication ir ultraskaņas rezultāts Kavitāciju. Pakļaujot šķidrumus ultraskaņai, skaņas viļņi, kas izplatās šķidrumā, rada mainīgus augstspiediena un zema spiediena ciklus. Tas piemēro mehānisko spriegumu piesaistes spēkiem starp atsevišķām daļiņām. Ultraskaņas kavitācija šķidrumos izraisa ātrgaitas šķidruma strūklas līdz 1000km / h (aptuveni 600mph). Šādas strūklas nospiež šķidrumu augstā spiedienā starp daļiņām un atdala tās viena no otras. Mazākas daļiņas tiek paātrinātas ar šķidruma strūklām un saduras ar lielu ātrumu. Tas padara ultraskaņu par efektīvu līdzekli izkliedēšanai, bet arī Malšanas ar mikronu izmēra un submikronu izmēra daļiņām.
Piemēram, nanodiamondus (vidējais izmērs aptuveni 4nm) un polistirolu var izkliedēt cikloheksānā, lai iegūtu īpašu kompozītmateriālu. Savā pētījumā Chipara et al. (2010) ir sagatavojuši polistirola un nanodiamondu kompozītus, kas satur nanodiamondus diapazonā no 0 līdz 25% svara. Lai iegūtu vienmērīgu Dispersijas, viņi 60 minūtes apstrādāja šķīdumu ar Hielscher's UIP1000hd (1kW).
Ultrasoniski atbalstīta nanodiamondu funkcionalizācija
Lai funkcionalizētu katras nano izmēra daļiņas pilnu virsmu, daļiņu virsmai jābūt pieejamai ķīmiskai reakcijai. Tas nozīmē, ka ir nepieciešama vienmērīga un smalka dispersija, jo labi izkliedētās daļiņas ieskauj molekulu robežslānis, kas piesaistīts daļiņu virsmai. Lai nanodiamondu virsmā nonāktu jaunas funkcionālās grupas, šis robežslānis ir jānojauc vai jānoņem. Šo robežslāņa pārtraukuma un noņemšanas procesu var veikt ar ultrasonics.
Ultraskaņa, kas ievadīta šķidrumā, rada dažādus ārkārtējus efektus, piemēram, Kavitāciju, lokāli ļoti augsta temperatūra līdz 2000K un šķidruma strūklas līdz 1000km/h. (Suslick 1998) Ar šiem stresa faktoriem var pārvarēt pievilkšanas spēkus (piemēram, Van-der-Waals spēkus) un funkcionālās molekulas tiek nogādātas uz daļiņas virsmu, lai funkcionalizētu, piemēram, nanodiamondu virsmu.
Eksperimenti ar Bead-Assisted Sonic Disintegration (BASD) apstrādi ir parādījuši daudzsološus rezultātus arī nanodiamondu virsmas funcionalizācijai. Tādējādi ultraskaņas ieviešanai ir izmantotas krelles (piemēram, mikroizmēra keramikas krelles, piemēram, ZrO2 krelles) kavitācijas spēkus uz nanodiamonda daļiņām. Deagglomerācija notiek nanodiamonda daļiņu un ZrO starpsugu sadursmes dēļ2 Krelles.
Sakarā ar daļiņu virsmas labāku pieejamību, ķīmiskām reakcijām, piemēram, Borana samazināšanai, arilācijai vai silanizācijai, ir ļoti ieteicams veikt ultraskaņas vai BASD (lodīšu skaņas sadalīšanās) pirmapstrādi izkliedēšanas nolūkā. Ar ultraskaņu Izkliedēt un deagglomerācija ķīmiskā reakcija var turpināties daudz pilnīgāk.
Sazinieties ar mums! / Jautājiet mums!
Literatūra/Atsauces
- Khachatryan, A. Kh. et al.: Grafīta-dimanta transformācija, ko izraisa ultraskaņas kavitācija. In: Dimants & Saistītie materiāli 17, 2008; 931.-936. lpp.
- Galimovs, Ēriks & Kudins, Ā. & Skorobogatskii, V. & Plotņičenko, V. & Bondarevs, O. & Zarubins, B. & Strazdovskis, V. & Aronins, Aleksandrs & Fisenko, Ā. & Bykovs, I. & Barinovs, A.. (2004): Dimanta sintēzes eksperimentāla apstiprināšana kavitācijas procesā. Doklady fizika – DOKL PHYS. 49. 150-153.
- Turcheniuk, K., Trecazzi, C., Deeleepojananan, C., & Mochalin, V. N. (2016): Nanodiamond ultraskaņas ultraskaņas deaggregācija ar sāls palīdzību. ACS lietišķie materiāli & Saskarnes, 8(38), 25461–25468.
- Basma H. Al-Tamimi, Iman I. Jabbar, Haitham M. Al-Tamimi (2919): Nanokristāliskā dimanta sintēze un raksturošana no grafīta pārslām, izmantojot kavitācijas veicinātu procesu. Heliyon, 5. sējums, 5. izdevums. 2019.
- Krīgers, A.: Nanomēroga dimanta struktūra un reaktivitāte. In: J Mater Chem 18, 2008; 1485.-1492. lpp.
- Liang, Y.: Deagglomerierung und Oberflächenfunktionalisierung von Nanodiamant mittels thermochemischer und mechanochemischer Methoden. Disertācija, Julius-Maximilian-Universität Würzburg, 2011.
- Osawa, E.: Monodisperse atsevišķas nanodiamondas daļiņas. In: Pure Appl Chem 80/7, 2008; 1365.-1379. lpp.
- Pramatarova, L. et al.: Polimēru kompozītu ar detonācijas nanodiamonda daļiņām priekšrocība medicīniskiem lietojumiem. In: Par biomimētiku; 298.-320. lpp.
- Saule, L.; Gongs, J.; Žu, D.; Žu, Z.; Viņš, S.: Dimanta nanorods no oglekļa nanocaurulītēm. In: Uzlabotie materiāli 16/2004. 1849.-1853. lpp.
- Suslick, K.S.: Kirk-Othmer Ķīmiskās tehnoloģijas enciklopēdija. 4. izd. Dž. & Dēli: Ņujorka; 26, 1998; 517.-541. lpp.
- Chipara, A. C. et al.: Polistirolā disperģēto nanodiamondu daļiņu termiskās īpašības. HESTEC 2010.
- El-Say, K. M.: Nanodiamonds kā zāļu piegādes sistēma: pielietojums un perspektīva. In J Appl Pharm Sci 01/06, 2011; 29.-39. lpp.
nanodiamondi – Lietošana un lietojumprogrammas
Nanodiamond graudi ir nestabili to zeta potenciāla dēļ. Tādējādi tie ļoti mēdz veidot agregātus. Izplatīts nanodiamondu pielietojums ir izmantošana abrazīvos materiālos, griešanas un pulēšanas instrumentos un siltuma izlietnēs. Vēl viens potenciāls pielietojums ir nanodiamondu izmantošana par zāļu nesēju farmaceitiski aktīvajām sastāvdaļām (sal. Pa Ultrasonication, pirmkārt, nanodiamondus var sintezēt no grafīta un, otrkārt, nanodiamondi, kas lielā mērā tiecas uz aglomerāciju, var būt vienmērīgi Izkliedētas šķidrā vidē (piemēram, lai formulētu pulēšanas līdzekli).