Síntese ultra-sônica de nanodiamantes
- Devido à sua intensa força cavitacional, o ultrassom de potência é uma técnica promissora para produzir diamantes de tamanho mícron e nano a partir de grafite.
- Os diamantes micro e nanocristalinos podem ser sintetizados através da sonicação de uma suspensão de grafite em líquido orgânico à pressão atmosférica e à temperatura ambiente.
- Ultrassom é também uma ferramenta útil para o pós-processamento dos diamantes nano sintetizados, como ultrasonication dispersa, desaglomerados e funcionaliza nano partículas muito eficaz.
Ultra-sons para o tratamento de nanodiamantes
Os nanodiamantes (também designados por diamantes de detonação (DND) ou diamantes ultradispersos (UDD)) são uma forma especial de nanomateriais de carbono que se distinguem por caraterísticas únicas - como a sua treliça estrutura, a sua grande superfície, bem como únicos ótico e magnético propriedades - e aplicações excepcionais. As propriedades das partículas ultradispersas fazem destes materiais compostos inovadores para a criação de novos materiais com funções extraordinárias. O tamanho das partículas de diamante na fuligem é de cerca de 5 nm.
Sob forças intensas, como a sonicação ou a detonação, a grafite pode ser transformada em diamante.
Nanodiamantes sintetizados por ultrassom
A síntese de diamantes é um importante domínio de investigação com interesses científicos e comerciais. O processo mais utilizado para a síntese de partículas de diamante microcristalino e nanocristalino é a técnica de alta pressão e alta temperatura (HPHT). Através deste método, são geradas as pressões de processo necessárias de dezenas de milhares de atmosferas e temperaturas de mais de 2000K para produzir a maior parte do fornecimento mundial de diamante industrial. Para a transformação da grafite em diamante, são geralmente necessárias altas pressões e altas temperaturas, e são utilizados catalisadores para aumentar o rendimento do diamante.
Estes requisitos necessários à transformação podem ser gerados de forma muito eficiente através da utilização de ultrassom de alta potência (= ultra-sons de baixa frequência e alta intensidade):
Cavitação ultra-sónica
Os ultra-sons em líquidos causam efeitos locais muito extremos. Ao sonicar líquidos a altas intensidades, as ondas sonoras que se propagam no meio líquido resultam em ciclos alternados de alta pressão (compressão) e baixa pressão (rarefação), com taxas que dependem da frequência. Durante o ciclo de baixa pressão, as ondas ultra-sónicas de alta intensidade criam pequenas bolhas de vácuo ou espaços vazios no líquido. Quando as bolhas atingem um volume em que já não conseguem absorver energia, entram em colapso violento durante um ciclo de alta pressão. Este fenómeno é designado por cavitação. Durante a implosão são atingidas localmente temperaturas (aprox. 5.000K) e pressões (aprox. 2.000atm) muito elevadas. A implosão da bolha de cavitação também resulta em jactos de líquido com uma velocidade de até 280m/s. (Suslick 1998) É óbvio que micro e nano-cristalino diamantes podem ser sintetizados no domínio dos ultra-sons cavitação.
Procedimento ultra-sônico para a síntese de nanodiamantes
De facto, o estudo de Khachatryan et al. (2008) mostra que os microcristais de diamante também podem ser sintetizados por ultra-sons de uma suspensão de grafite em líquido orgânico à pressão atmosférica e à temperatura ambiente. Como fluido de cavitação, uma fórmula de oligómeros aromáticos foi escolhido devido à sua baixa pressão de vapor saturado e sua alta temperatura de ebulição. Neste líquido, o pó especial de grafite pura – com partículas na gama entre 100-200 µm - foi suspenso. Nas experiências de Kachatryan et al., a relação peso sólido-fluido era de 1:6, a densidade do fluido de cavitação era de 1,1 g cm-3 a 25°C. A intensidade máxima de ultra-sons no sonoreactor foi de 75-80W cm-2 correspondente a uma amplitude de pressão sonora de 15-16 bar.
Foi alcançada uma conversão de aproximadamente 10% de grafite em diamante. Os diamantes eram quase mono-disperso com um tamanho muito nítido e bem desenhado na gama de 6 ou 9μm ± 0,5μm, com cúbico, cristalino morfologia e elevada pureza.
Imagens SEM dos diamantes sintetizados por ultra-sons: as imagens (a) e (b) mostram a série de amostras 1, (c) e (d) a série de amostras 2. [Khachatryan et al. 2008]
a custos de micro e nanodiamantes produzidos por este método é estimado em competitivo com o processo de alta pressão e alta temperatura (HPHT). Isso faz com que o ultrassom uma alternativa inovadora para a síntese de micro e nano-diamantes (Khachatryan et al. 2008), especialmente como o processo de produção de nanodiamantes pode ser otimizado por novas investigações. Muitos parâmetros, tais como amplitude, pressão, temperatura, fluido de cavitação, e concentração deve ser examinada com precisão para descobrir o ponto doce de síntese nanodiamond ultrassom.
Com base nos resultados alcançados na síntese de nanodiamantes, outros ultrassons gerados cavitação oferece o potencial para a síntese de outros compostos importantes, como o nitreto de boro cúbico, o nitreto de carbono, etc. (Khachatryan et al. 2008)
Além disso, parece ser possível criar nanofios e nanobastões de diamante a partir de nanotubos de carbono de paredes múltiplas (MWCNTs) sob irradiação ultra-sónica. Os nanofios de diamante são análogos unidimensionais do diamante a granel. Devido ao seu elevado módulo de elasticidade, à sua relação resistência/peso e à relativa facilidade com que as suas superfícies podem ser funcionalizadas, o diamante tem sido considerado o material ideal para projectos nanomecânicos. (Sun et al. 2004)
Dispersão ultra-sónica de nanodiamantes
Como já foi descrito, a desaglomeração e a distribuição uniforme do tamanho das partículas no meio são essenciais para a exploração bem sucedida das caraterísticas únicas dos nanodiamantes.
Dispersão e Desaglomeração por ultra-sons são o resultado de cavitação. Quando se expõem líquidos a ultra-sons, as ondas sonoras que se propagam no líquido resultam em ciclos alternados de alta e baixa pressão. Isto aplica uma tensão mecânica sobre as forças de atração entre as partículas individuais. A cavitação ultra-sónica em líquidos provoca jactos de líquido de alta velocidade até 1000km/hr (aprox. 600mph). Estes jactos pressionam o líquido a alta pressão entre as partículas e separam-nas umas das outras. As partículas mais pequenas são aceleradas com os jactos de líquido e colidem a alta velocidade. Isto faz com que os ultra-sons sejam um meio eficaz para a dispersão, mas também para a Fresagem de partículas de tamanho mícron e sub-mícron.
Por exemplo, os nanodiamantes (tamanho médio de cerca de 4 nm) e o poliestireno podem ser dispersos em ciclo-hexano para obter um compósito especial. No seu estudo, Chipara et al. (2010) prepararam compósitos de poliestireno e nanodiamantes, contendo nanodiamantes numa gama entre 0 e 25% em peso. Para obter um Dispersão, procederam à sonicação da solução durante 60 minutos com o UIP1000hd (1kW).
Ultrasonicamente assistida funcionalização de nanodiamantes
Para a funcionalização de toda a superfície de cada partícula de tamanho nanométrico, a superfície da partícula deve estar disponível para a reação química. Isto significa que é necessária uma dispersão uniforme e fina, uma vez que as partículas bem dispersas estão rodeadas por uma camada limite de moléculas atraídas para a superfície da partícula. Para introduzir novos grupos funcionais na superfície dos nanodiamantes, esta camada limite tem de ser quebrada ou removida. Este processo de quebra e remoção da camada limite pode ser realizado por ultra-sons.
Os ultra-sons introduzidos no líquido geram vários efeitos extremos, tais como cavitação(Suslick 1998) Através destes factores de tensão, as forças de atração (por exemplo, as forças de Van-der-Waals) podem ser ultrapassadas e as moléculas funcionais são transportadas para a superfície da partícula para serem funcionalizadas, por exemplo, a superfície dos nanodiamantes.
Esquema 1: Gráfico da desaglomeração in situ e da funcionalização da superfície de nanodiamantes (Liang 2011)
Experiências com o tratamento Bead-Assisted Sonic Disintegration (BASD) têm mostrado resultados promissores para a funcionalização da superfície de nanodiamantes também. Assim, foram utilizadas esferas (por exemplo, esferas de cerâmica de tamanho micro, tais como esferas de ZrO2) para reforçar a desintegração ultra-sónica cavitacional sobre as partículas de nanodiamante. A desaglomeração ocorre devido à colisão interparticular entre as partículas de nanodiamante e as partículas de ZrO2 contas.
Devido à melhor disponibilidade da superfície das partículas, para reacções químicas como a redução de Boran, a arilação ou a silanização, é altamente recomendado um pré-tratamento ultrassónico ou BASD (desintegração sónica assistida por esferas) para fins de dispersão. Por ultra-sons Dispersão e Desaglomeração a reação química pode prosseguir de forma muito mais completa.
A cavitação ultra-sónica resulta em diferenciais extremos de temperatura e pressão e em jactos de líquido de alta velocidade. Assim, os ultra-sons de potência são um método de processamento bem sucedido para aplicações de mistura e moagem.
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Literatura/Referências
- Khachatryan, A. Kh. et al: Transformação de grafite em diamante induzida por cavitação ultra-sónica. Em: Diamante & Related Materials 17, 2008; pp931-936.
- Galimov, Erik & Kudin, A. & Skorobogatskii, V. & Plotnichenko, V. & Bondarev, O. & Zarubin, B. & Strazdovskii, V. & Aronin, Alexandr & Fisenko, A. & Bykov, I. & Barinov, A. (2004): Corroboração experimental da síntese de diamante no processo de cavitação. Doklady Física – DOKL PHYS. 49. 150-153.
- Turcheniuk, K., Trecazzi, C., Deeleepojananan, C., & Mochalin, V. N. (2016): Desagregação ultra-sónica assistida por sal de nanodiamante. ACS Materiais Aplicados & Interfaces, 8(38), 25461-25468.
- Basma H. Al-Tamimi, Iman I. Jabbar, Haitham M. Al-Tamimi (2919): Síntese e caraterização de diamante nanocristalino a partir de flocos de grafite através de um processo promovido por cavitação. Heliyon, Volume 5, Número 5. 2019.
- Krueger, A.: A estrutura e a reatividade do diamante em nanoescala. In: J Mater Chem 18, 2008; pp. 1485-1492.
- Liang, Y.: Deagglomerierung und Oberflächenfunktionalisierung von Nanodiamant mittels thermochemischer und mechanochemischer Methoden. Dissertação Julius-Maximilian-Universität Würzburg 2011.
- Osawa, E.: Partículas monodispersas de nanodiamantes. In: Pure Appl Chem 80/7, 2008; pp. 1365-1379.
- Pramatarova, L. et al: A vantagem de Compósitos de Polímeros com Partículas de Nanodiamante de Detonação para Aplicações Médicas. In: On Biomimetics; pp. 298-320.
- Sun, L.; Gong, J.; Zhu, D.; Zhu, Z.; He, S.: Nanobastões de diamante a partir de nanotubos de carbono. Em: Advanced Materials 16/2004. pp. 1849-1853.
- Suslick, K.S.: Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology. 4ª ed. J. Wiley & Sons: New York; 26, 1998; pp. 517-541.
- Chipara, A. C. et al: Propriedades térmicas de partículas de nanodiamante dispersas em poliestireno. HESTEC 2010.
- El-Say, K. M.: Nanodiamantes como sistema de administração de medicamentos: Application and prospective. In J Appl Pharm Sci 01/06, 2011; pp. 29-39.
nanodiamantes – Utilização e aplicações
Os grãos de nanodiamante são instáveis devido ao seu potencial zeta. Por conseguinte, têm grande tendência para formar agregados. Uma aplicação comum dos nanodiamantes é a utilização em abrasivos, ferramentas de corte e polimento e dissipadores de calor. Outra utilização potencial é a aplicação de nanodiamantes como transportadores de componentes farmacêuticos activos (cf. Pramatarova). Por Ultra-sonsEm primeiro lugar, os nanodiamantes podem ser sintetizados a partir de grafite e, em segundo lugar, os nanodiamantes com forte tendência para a aglomeração podem ser uniformemente Dispersos em meios líquidos (por exemplo, para formular um agente de polimento).