Ultrasone synthese van nanodiamanten

• Vanwege de intense cavitatiekracht is ultrageluid een veelbelovende techniek om diamanten van micro- en nanogrootte uit grafiet te produceren.
• Micro- en nanokristallijn diamant kan worden gesynthetiseerd door een suspensie van grafiet in een organische vloeistof bij atmosferische druk en kamertemperatuur te sonificeren.
• Ultrasoon is ook een nuttig hulpmiddel voor de nabewerking van de gesynthetiseerde nanodiamanten, omdat ultrasoon zeer effectief nanodeeltjes dispergeert, deagglomereert en functionaliseert.

Ultrasoon voor nanodiamantbehandeling

Nanodiamanten (ook wel detonatiediamanten (DND) of ultragedispergeerde diamanten (UDD) genoemd) zijn een speciale vorm van koolstofnanomaterialen die zich onderscheiden door unieke eigenschappen - zoals hun traliewerk structuur, de grote oppervlakevenals unieke optisch en magnetisch eigenschappen - en uitzonderlijke toepassingen. De eigenschappen van ultragedispergeerde deeltjes maken deze materialen tot innovatieve verbindingen voor het creëren van nieuwe materialen met buitengewone functies. De diamantdeeltjes in het roet zijn ongeveer 5 nm groot.

Onder intense krachten, zoals sonicatie of detonatie, kan grafiet worden getransformeerd in diamant.

Ultrasoon gesynthetiseerde nanodiamanten

De synthese van diamant is een belangrijk onderzoeksgebied met wetenschappelijke en commerciële belangen. Het meest gebruikte proces voor de synthese van microkristallijne en nanokristallijne diamantdeeltjes is de hoge-druk-hoge-temperatuurtechniek (HPHT). Met deze methode wordt de vereiste procesdruk van tienduizenden atmosferen en temperaturen van meer dan 2000 K gegenereerd om het grootste deel van de wereldwijde voorraad industriële diamant te produceren. Voor de omzetting van grafiet in diamant zijn over het algemeen hoge drukken en hoge temperaturen nodig en worden katalysatoren gebruikt om de opbrengst van diamant te verhogen.
Deze vereisten voor transformatie kunnen zeer efficiënt worden gegenereerd door het gebruik van ultrageluid met hoog vermogen (= laagfrequent ultrageluid met hoge intensiteit):

ultrasone cavitatie

Ultrasoon geluid in vloeistoffen veroorzaakt plaatselijk zeer extreme effecten. Bij het ultrasoon maken van vloeistoffen met hoge intensiteit resulteren de geluidsgolven die zich voortplanten in het vloeibare medium in afwisselende hogedrukcycli (compressie) en lagedrukcycli (rarefactie), met snelheden die afhankelijk zijn van de frequentie. Tijdens de lagedrukcyclus creëren ultrasone golven met hoge intensiteit kleine vacuümbellen of holtes in de vloeistof. Wanneer de belletjes een volume bereiken waarbij ze geen energie meer kunnen absorberen, storten ze heftig in elkaar tijdens een hogedrukcyclus. Dit fenomeen wordt cavitatie. Tijdens de implosie worden lokaal zeer hoge temperaturen (ongeveer 5.000 K) en drukken (ongeveer 2.000 atm) bereikt. De implosie van de cavitatiebel resulteert ook in vloeistofstralen met een snelheid tot 280m/s. (Suslick 1998) Het is duidelijk dat micro- en nanokristallijn diamanten kunnen worden gesynthetiseerd op het gebied van ultrasone cavitatie.

Ultrasone procedure voor de synthese van nanodiamanten

In feite toont de studie van Khachatryan et al. (2008) aan dat diamanten microkristallen ook kunnen worden gesynthetiseerd door ultrasoonbehandeling van een suspensie van grafiet in een organische vloeistof bij atmosferische druk en kamertemperatuur. Als cavitatievloeistof is een formule van aromatische oligomeren gekozen vanwege de lage verzadigde dampdruk en de hoge kooktemperatuur. In deze vloeistof werd het speciale zuivere grafietpoeder – met deeltjes in het bereik tussen 100-200 µm - is gesuspendeerd. In de experimenten van Kachatryan et al. was de gewichtsverhouding vaste stof-vloeistof 1:6, de dichtheid van de cavitatievloeistof 1,1 g cm^-3 bij 25°C. De maximale ultrasone intensiteit in de sonoreactor was 75-80 W cm^-2 wat overeenkomt met een geluidsdruk van 15-16 bar.
Er is ongeveer 10% grafiet-naar-diamant conversie bereikt. De diamanten waren bijna mono-dispersie met een zeer scherpe, goed ontworpen grootte in het bereik van 6 of 9μm ± 0,5μm, met kubieke, kristallijn morfologie en hoge zuiverheidsgraad.

SEM-afbeeldingen van de ultrasoon gesynthetiseerde diamanten: afbeeldingen (a) en (b) tonen de monsterserie 1, (c) en (d) de monsterserie 2. [Khachatryan et al. 2008]

De kosten van micro- en nanodiamanten geproduceerd met deze methode wordt geschat op concurrerend met het hoge-druk-hoge-temperatuurproces (HPHT). Dit maakt ultrageluid een innovatief alternatief voor de synthese van micro- en nanodiamanten (Khachatryan et al. 2008), vooral omdat het productieproces van nanodiamanten kan worden geoptimaliseerd door verder onderzoek. Veel parameters zoals amplitude, druk, temperatuur, cavitatievloeistof en concentratie moeten nauwkeurig worden onderzocht om de sweet spot van ultrasone nanodiamantsynthese te ontdekken.
Door de resultaten die zijn behaald bij de synthese van nanodiamanten, kunnen verder ultrasoon gegenereerde cavitatie biedt het potentieel voor de synthese van andere belangrijke verbindingen, zoals kubisch boornitride, koolstofnitride enz.
Verder lijkt het mogelijk om diamanten nanodraden en nanorods te maken van meerwandige koolstofnanobuizen (MWCNTs) onder ultrasone bestraling. Diamantnanodraden zijn eendimensionale analogen van bulkdiamant. Vanwege de hoge elasticiteitsmodulus, de verhouding sterkte/gewicht en het relatieve gemak waarmee de oppervlakken kunnen worden gefunctionaliseerd, is diamant het optimale materiaal gebleken voor nanomechanische ontwerpen. (Sun et al. 2004)

Ultrasoon dispergeren van nanodiamanten

Zoals al beschreven zijn de deagglomeratie en de gelijkmatige deeltjesgrootteverdeling in het medium essentieel voor de succesvolle exploitatie van de unieke eigenschappen van nanodiamanten.
dispersie en deagglomeratie door ultrasoonbehandeling zijn een gevolg van ultrasone cavitatie. Wanneer vloeistoffen worden blootgesteld aan ultrageluid, resulteren de geluidsgolven die zich in de vloeistof voortplanten in afwisselend hoge- en lagedrukcycli. Dit oefent mechanische spanning uit op de aantrekkende krachten tussen de afzonderlijke deeltjes. Ultrasone cavitatie in vloeistoffen veroorzaakt vloeistofstralen met hoge snelheden tot 1000 km/u (ongeveer 600 mijl/u). Dergelijke stralen persen vloeistof onder hoge druk tussen de deeltjes en scheiden ze van elkaar. Kleinere deeltjes worden versneld met de vloeistofstralen en botsen met hoge snelheden. Hierdoor is ultrageluid een effectief middel voor het dispergeren, maar ook voor het scheiden van deeltjes. frezen van deeltjes van micron- en submicronformaat.
Zo kunnen nanodiamanten (gemiddelde grootte van ongeveer 4 nm) en polystyreen worden gedispergeerd in cyclohexaan om een speciale composiet te verkrijgen. In hun studie hebben Chipara et al. (2010) composieten van polystyreen en nanodiamanten bereid, met nanodiamanten in een gewicht tussen 0 en 25%. Om een gelijkmatige dispersieZe soniceerden de oplossing gedurende 60 minuten met Hielscher's UIP1000hd (1kW).

Ultrasoon gestuurde functionalisatie van nanodiamanten

Om het volledige oppervlak van elk nanodeeltje te functionaliseren, moet het oppervlak van het deeltje beschikbaar zijn voor een chemische reactie. Dit betekent dat een gelijkmatige en fijne dispersie vereist is, aangezien de goed gedispergeerde deeltjes omgeven zijn door een grenslaag van moleculen die door het deeltjesoppervlak worden aangetrokken. Om nieuwe functionele groepen aan het oppervlak van nanodiamanten te krijgen, moet deze grenslaag worden gebroken of verwijderd. Dit proces van breken en verwijderen van de grenslaag kan worden uitgevoerd door middel van ultrasoon.
Ultrasoon geluid in vloeistof genereert verschillende extreme effecten zoals cavitatie(Suslick 1998) Door deze stressfactoren kunnen de aantrekkende krachten (bijv. Van-der-Waals krachten) worden overwonnen en worden de functionele moleculen naar het oppervlak van het deeltje gebracht om daar te functionaliseren, bijv. het oppervlak van nanodiamanten.

Schema 1: Grafiek van de in situ-deagglomeratie en oppervlaktefunctionalisatie van nanodiamanten (Liang 2011)

Experimenten met de BASD-behandeling (Bead-Assisted Sonic Disintegration) hebben ook veelbelovende resultaten laten zien voor de funcionalisatie van het oppervlak van nanodiamanten. Daarbij zijn kralen (bijv. keramische kralen van microformaat zoals ZrO2-korrels) gebruikt om de ultrasone behandeling van nanodiamanten te versterken. cavitatie krachten op de nanodiamantdeeltjes. De deagglomeratie ontstaat door de interparticulaire botsing tussen de nanodiamantdeeltjes en de ZrO₂ kralen.
Vanwege de betere beschikbaarheid van het deeltjesoppervlak, voor chemische reacties zoals de Boran-reductie, arylering of silanisering, wordt een ultrasone of BASD (bead-assisted sonic disintegration) voorbehandeling voor dispergeren sterk aanbevolen. Door ultrasoon Verspreiden en deagglomeratie kan de chemische reactie veel vollediger verlopen.