Nanodimantu sintēze ar ultraskaņu

No grafīta līdz dimantam: lieljaudas ultraskaņa piedāvā daudzsološu veidu, kā sintezēt mikrokristāliskus un nanokristāliskus dimantus istabas temperatūrā un atmosfēras spiedienā. Intensīva akustiskā kavitācija nodrošina dimantu veidošanos grafīta suspensijās organiskos šķidrumos. Papildus sintēzei apstrāde ar ultraskaņu nodrošina iegūto nanodimantu efektīvu disperģēšanu, deaglomerāciju un funkcionalizēšanu – tādējādi tā ir daudzpusīgs instruments gan ražošanai, gan pēcapstrādei.

Ultraskaņa nanodimantu apstrādei

Nanodimanti (saukti arī par detonācijas dimantiem (DND) vai ultradispersiem dimantiem (UDD)) ir īpaša oglekļa nanomateriālu forma, kas izceļas ar unikālām īpašībām – piemēram, kristālrežģa struktūru, lielu virsmas laukumu, kā arī unikālām optiskajām un magnētiskajām īpašībām – un izcilām funkcionālajām iespējām. Ultradisperso daļiņu īpašības padara šos materiālus par inovatīviem komponentiem jaunu materiālu ar neparastām funkcijām radīšanai. Dimanta daļiņu izmērs kvēpos ir aptuveni 5nm.

Ar ultraskaņu sintezēti nanodimanti

Dimantu sintēze ir svarīga pētniecības joma gan zinātnisko, gan komerciālo interešu ziņā. Mikrokristālisku un nanokristālisku dimanta daļiņu sintēzē plaši izmantots process ir augsta spiediena un augstas temperatūras (HPHT) metode. Ar šo metodi rada procesam nepieciešamo spiedienu, kas sasniedz desmitiem tūkstošu atmosfēru, un temperatūru, kas pārsniedz 2000K, lai saražotu lielāko daļu pasaulē piegādāto rūpniecisko dimantu. Grafīta pārveidošanai par dimantu parasti nepieciešams augsts spiediens un augsta temperatūra, un dimanta iznākuma palielināšanai izmanto katalizatorus.
Šos pārveidošanai nepieciešamos apstākļus var ļoti efektīvi radīt, izmantojot lieljaudas ultraskaņu (= zemas frekvences, augstas intensitātes ultraskaņu):

Ultraskaņas kavitācija

Ultraskaņa šķidrumos lokāli izraisa ļoti ekstrēmus efektus. Apstrādājot šķidrumus ar augstas intensitātes ultraskaņu, skaņas viļņi, kas izplatās šķidrajā vidē, rada pamīšus augsta spiediena (saspiešanas) un zema spiediena (retinājuma) ciklus, kuru atkārtošanās ātrums ir atkarīgs no frekvences. Zema spiediena cikla laikā augstas intensitātes ultraskaņas viļņi šķidrumā rada mazus vakuuma burbuļus vai dobumus. Kad burbuļi sasniedz tilpumu, pie kura tie vairs nespēj absorbēt enerģiju, tie augsta spiediena cikla laikā strauji sabrūk. Šo parādību sauc par kavitāciju. Implozijas laikā lokāli tiek sasniegta ļoti augsta temperatūra (aptuveni 5 000K) un spiediens (aptuveni 2 000atm). Kavitācijas burbuļa implozija rada arī šķidruma strūklas ar ātrumu līdz 280m/s. (Suslick 1998) Ir acīmredzams, ka mikro- un nanokristāliskus dimantus var sintezēt ultraskaņas kavitācijas laukā.

Šajā video parādām 2 kilovatu ultraskaņas sistēmu darbam plūsmā, kas ievietota skapī ar aizsarggāzes caurpūti. Hielscher piegādā ultraskaņas iekārtas gandrīz visām nozarēm, tostarp ķīmiskajai, farmācijas un kosmētikas rūpniecībai, naftas ķīmijas procesiem, kā arī ekstrakcijas procesiem ar šķīdinātājiem. Šis nerūsējošā tērauda skapis ar aizsarggāzes caurpūti ir paredzēts darbam sprādzienbīstamās zonās. Šim nolūkam klients var caurpūst hermētisko skapi ar slāpekli vai svaigu gaisu, lai nepieļautu uzliesmojošu gāzu vai tvaiku iekļūšanu skapī.

Nanodimantu sintēzes procedūra ar ultraskaņu

Faktiski Khachatryan et al. (2008) pētījums liecina, ka dimanta mikrokristālus var sintezēt arī, apstrādājot grafīta suspensiju organiskā šķidrumā ar ultraskaņu atmosfēras spiedienā un istabas temperatūrā. Par kavitācijas šķidrumu tika izvēlēts aromātisko oligomēru sastāvs tā zemā piesātināta tvaika spiediena un augstās viršanas temperatūras dēļ. Šajā šķidrumā tika suspendēts īpašs tīrs grafīta pulveris – ar daļiņu izmēru diapazonā no 100 līdz 200 µm. Kachatryan et al. eksperimentos cietās vielas un šķidruma masas attiecība bija 1:6, kavitācijas šķidruma blīvums bija 1,1g cm^-3 pie 25°C. Maksimālā ultraskaņas intensitāte sonoreaktorā bija 75–80W cm^-2 , kas atbilst skaņas spiediena amplitūdai 15–16 bar.
Tika panākta aptuveni 10% grafīta pārvēršanās dimantā. Dimanti bija gandrīz monodispersi ar ļoti šauri definētu, precīzi noteiktu izmēru 6 vai 9μm ± 0,5μm diapazonā, ar kubisku, kristālisku morfoloģiju un augstu tīrības pakāpi.

Ar šo metodi iegūto mikrodiamantu un nanodiamantu izmaksas tiek lēstas kā konkurētspējīgas salīdzinājumā ar augstspiediena un augstas temperatūras (HPHT) procesu. Tas padara ultraskaņu par inovatīvu alternatīvu mikrodiamantu un nanodiamantu sintēzei (Khachatryan et al. 2008), jo īpaši tāpēc, ka nanodiamantu ražošanas procesu var optimizēt ar turpmākiem pētījumiem. Lai atrastu optimālos apstākļus nanodiamantu ultraskaņas sintēzei, precīzi jāizpēta daudzi parametri, piemēram, amplitūda, spiediens, temperatūra, kavitācijas šķidrums un koncentrācija.
Pamatojoties uz nanodiamantu sintēzē sasniegtajiem rezultātiem, ultraskaņas radīta kavitācija paver iespējas sintezēt arī citus svarīgus savienojumus, piemēram, kubisko bora nitrīdu, oglekļa nitrīdu utt. (Khachatryan et al. 2008)
Turklāt šķiet iespējams ultraskaņas iedarbībā iegūt dimanta nanovadus un nanostieņus no daudzsieniņu oglekļa nanocaurulītēm (MWCNTs). Dimanta nanovadi ir masīva dimanta viendimensionāli analogi. Pateicoties augstajam elastības modulim, stiprības un svara attiecībai un tam, ka dimanta virsmas var samērā viegli funkcionalizēt, dimants ir atzīts par optimālu materiālu nanomehāniskām konstrukcijām. (Sun et al. 2004)

Nanodiamantu disperģēšana ar ultraskaņu

Kā jau aprakstīts, deaglomerācija un vienmērīgs daļiņu izmēru sadalījums vidē ir būtiski priekšnoteikumi nanodiamantu unikālo īpašību veiksmīgai izmantošanai.
Disperģēšana un deaglomerācija apstrādē ar ultraskaņu notiek ultraskaņas izraisītas kavitācijas rezultātā. Pakļaujot šķidrumus ultraskaņas iedarbībai, skaņas viļņi, kas izplatās šķidrumā, rada pārmaiņus augstspiediena un zemspiediena ciklus. Tas mehāniski iedarbojas uz pievilkšanās spēkiem starp atsevišķām daļiņām. Ultraskaņas kavitācija šķidrumos rada ātras šķidruma strūklas ar ātrumu līdz 1000km/hr (aptuveni 600mph). Šādas strūklas ar augstu spiedienu iespiež šķidrumu starp daļiņām un atdala tās citu no citas. Mazākās daļiņas šķidruma strūklas paātrina, un tās saduras lielā ātrumā. Tas padara ultraskaņu par efektīvu līdzekli gan disperģēšanai, gan arī daļiņu malšanai , kuru izmērs ir mikrometra robežās vai mazāks par mikrometru.
Piemēram, nanodiamantus (ar vidējo izmēru aptuveni 4nm) un polistirolu var disperģēt cikloheksānā, lai iegūtu īpašu kompozītmateriālu. Savā pētījumā Chipara et al. (2010) sagatavoja polistirola un nanodiamantu kompozītmateriālus, kuros nanodiamantu masas daļa bija no 0 līdz 25%. Lai iegūtu vienmērīgu dispersiju, viņi 60 min apstrādāja šķīdumu ar Hielscher jaudīgo 1000 vatu ultraskaņas ierīci UIP1000hd.
Uzziniet vairāk par nanodiamantu deagregāciju ar ultraskaņu!

Nanodiamantu funkcionalizēšana ar ultraskaņas palīdzību

Lai funkcionalizētu katras nanoizmēra daļiņas visu virsmu, daļiņas virsmai jābūt pieejamai ķīmiskajai reakcijai. Tas nozīmē, ka ir nepieciešama vienmērīga un smalka dispersija, jo labi disperģētās daļiņas ieskauj pie daļiņas virsmas pievilktu molekulu robežslānis. Lai nanodiamantu virsmai pievienotu jaunas funkcionālās grupas, šis robežslānis ir jāizjauc vai jānoņem. Šo robežslāņa izjaukšanu un noņemšanu var veikt ar ultraskaņu.
Šķidrumā ievadīta ultraskaņa rada dažādas ekstrēmas parādības, piemēram, kavitāciju, lokāli ļoti augstu temperatūru līdz 2000K un šķidruma strūklas ar ātrumu līdz 1000km/hr. (Suslick 1998) Ar šiem iedarbības faktoriem var pārvarēt pievilkšanās spēkus (piemēram, van der Vālsa spēkus), un funkcionālās molekulas tiek nogādātas pie daļiņas virsmas, lai funkcionalizētu, piemēram, nanodiamantu virsmu.

Eksperimenti ar skaņas izraisītu sadalīšanu ar lodīšu palīdzību (BASD) ir uzrādījuši daudzsološus rezultātus arī nanodimantu virsmas funkcionalizācijā. Šajā procesā lodītes (piemēram, mikrometru izmēra keramikas lodītes, tādas kā ZrO2 lodītes) tika izmantotas, lai pastiprinātu ultraskaņas kavitācijas spēku iedarbību uz nanodimantu daļiņām. Deaglomerācija notiek nanodimantu daļiņu un ZrO₂ lodīšu savstarpējo sadursmju dēļ.
Tā kā daļiņu virsma kļūst pieejamāka, pirms tādām ķīmiskajām reakcijām kā reducēšana ar borānu, arilēšana vai silanizēšana ir ļoti ieteicama priekšapstrāde ar ultraskaņu vai BASD (skaņas izraisīta sadalīšana ar lodīšu palīdzību), lai veiktu disperģēšanu. Veicot ultraskaņas disperģēšanu un deaglomerāciju, ķīmiskā reakcija var noritēt daudz pilnīgāk.