Síntese ultrassônica de nanodiamantes

• Devido à sua intensa força cavitacional, o ultrassom de potência é uma técnica promissora para produzir diamantes de tamanho mícron e nanométrico a partir de grafite.
• Diamantes micro e nanocristalinos podem ser sintetizados sonicando uma suspensão de grafite em líquido orgânico à pressão atmosférica e à temperatura ambiente.
• O ultrassom também é uma ferramenta útil para o pós-processamento dos nano diamantes sintetizados, pois a ultrassonografia dispersa, desaglomera e funcionaliza nanopartículas muito eficazes.

Ultrassom para tratamento com nanodiamantes

Os nanodiamantes (também chamados de diamantes de detonação (DND) ou diamantes ultradispersos (UDD)) são uma forma especial de nanomateriais de carbono que se distinguem por características únicas – como seu reticulado estrutura, sua grande Superfície, bem como óptico e magnético propriedades – e aplicações excepcionais. As propriedades das partículas ultradispersas tornam esses 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 sonicação ou detonação, o grafite pode ser transformado em diamante.

Nanodiamantes sintetizados por ultrassom

A síntese de diamantes é um importante campo de pesquisa no que diz respeito aos interesses científicos e comerciais. O processo comumente usado para a síntese de partículas de diamante microcristalinas e nanocristalinas é a técnica de alta pressão e alta temperatura (HPHT). Por este método, a pressão de processo necessária de dezenas de milhares de atmosferas e temperaturas de mais de 2000K são geradas para produzir a maior parte do suprimento mundial de diamantes industriais. Para a transformação do grafite em diamante, em geral são necessárias altas pressões e altas temperaturas, e catalisadores são usados para aumentar o rendimento do diamante.
Esses requisitos necessários para a transformação podem ser gerados de forma muito eficiente pelo uso de ultrassom de alta potência (= ultrassom de baixa frequência e alta intensidade):

cavitação ultrassônica

O ultrassom em líquidos causa efeitos localmente muito extremos. Ao sonicar líquidos em altas intensidades, as ondas sonoras que se propagam para o meio líquido resultam em ciclos alternados de alta pressão (compressão) e baixa pressão (rarefação), com taxas dependendo da frequência. Durante o ciclo de baixa pressão, as ondas ultrassônicas de alta intensidade criam pequenas bolhas de vácuo ou vazios no líquido. Quando as bolhas atingem um volume no qual não podem mais absorver energia, elas colapsam violentamente durante um ciclo de alta pressão. Esse fenômeno é denominado cavitação. Durante a implosão, temperaturas muito altas (aprox. 5.000K) e pressões (aprox. 2.000atm) são atingidas localmente. A implosão da bolha de cavitação também resulta em jatos de líquido de até 280m/s de velocidade. (Suslick 1998) É óbvio que micro e nano-cristalino Os diamantes podem ser sintetizados no campo de ultrassônico cavitação.

Procedimento ultrassônico para a síntese de nanodiamantes

De fato, o estudo de Khachatryan et al. (2008) mostra que os microcristais de diamante também podem ser sintetizados pela ultrassonografia de uma suspensão de grafite em líquido orgânico à pressão atmosférica e à temperatura ambiente. Como fluido de cavitação, uma fórmula de oligômeros aromáticos foi escolhida devido à sua baixa pressão de vapor saturado e sua alta temperatura de ebulição. Neste líquido, o pó de grafite puro especial – com partículas na faixa entre 100-200 μm – foi suspenso. Nos experimentos de Kachatryan et al., a relação peso-fluido sólido-fluido foi de 1:6, a densidade do fluido de cavitação foi de 1,1g cm^-3 a 25°C. A intensidade ultrassônica máxima no sonoreactor foi de 75-80W cm^-2 correspondendo a uma amplitude de pressão sonora de 15-16 bar.
Foi alcançada uma conversão de aproximadamente 10% de grafite em diamante. Os diamantes estavam quase monodisperso com um tamanho muito afiado, bem projetado na escala de 6 ou 9μm ± 0.5μm, com cúbico, cristalino morfologia e Pureza alta.

Imagens MEV dos diamantes sintetizados por ultrassom: as figuras (a) e (b) mostram a série de amostras 1, (c) e (d) a série de amostras 2. [Khachatryan et al. 2008]

O Custos micro e nanodiamantes produzidos por este método é estimado em competitivo com o processo de alta pressão e alta temperatura (HPHT). Isso torna o ultrassom uma alternativa inovadora para a síntese de micro e nanodiamantes (Khachatryan et al. 2008), especialmente porque o processo de produção de nanodiamantes pode ser otimizado por investigações adicionais. Muitos parâmetros como amplitude, pressão, temperatura, fluido de cavitação e concentração devem ser examinados com precisão para descobrir o ponto ideal da síntese ultrassônica de nanodiamantes.
Pelos resultados alcançados na síntese de nanodiamantes, gerados por ultrassom cavitação oferece o potencial para a síntese de outros compostos importantes, como nitreto cúbico de boro, nitreto de carbono, etc. (Khachatryan et al. 2008)
Além disso, parece ser possível criar nanofios de diamante e nanobastões a partir de nanotubos de carbono de paredes múltiplas (MWCNTs) sob irradiação ultrassônica. Os nanofios de diamante são análogos unidimensionais do diamante a granel. Devido ao seu alto módulo de elasticidade, relação resistência-peso e relativa facilidade com que suas superfícies podem ser funcionalizadas, o diamante foi considerado o material ideal para projetos nanomecânicos. (Sun et al. 2004)

Dispersão ultrassônica de nanodiamantes

Como já descrito, a desaglomeração e a distribuição uniforme do tamanho das partículas no meio são essenciais para a exploração bem-sucedida das características únicas dos nanodiamantes.
dispersão e desaglomeração por ultrassom são resultado de ultrassom cavitação. Ao expor líquidos ao ultrassom, as ondas sonoras que se propagam no líquido resultam em ciclos alternados de alta e baixa pressão. Isso aplica estresse mecânico nas forças de atração entre as partículas individuais. A cavitação ultrassônica em líquidos causa jatos de líquido de alta velocidade de até 1000 km/h (aprox. 600 mph). Esses jatos pressionam o líquido em alta pressão entre as partículas e as separam umas das outras. Partículas menores são aceleradas com os jatos de líquido e colidem em altas velocidades. Isso torna o ultrassom um meio eficaz para a dispersão, mas também para o moagem de partículas de tamanho mícron e submícron.
Por exemplo, nanodiamantes (tamanho médio de cerca de 4 nm) e poliestireno podem ser dispersos em ciclohexano para obter um composto especial. Em seu estudo, Chipara et al. (2010) prepararam compósitos de poliestireno e nanodiamantes, contendo nanodiamantes em uma faixa entre 0 e 25% em peso. Para obter um mesmo dispersão, eles sonicaram a solução por 60 min com Hielscher UIP1000hd (1kW).

Funcionalização Assistida por Ultrassom de Nanodiamantes

Para a funcionalização da superfície completa de cada partícula nanométrica, a superfície da partícula deve estar disponível para reação química. Isso significa que é necessária uma dispersão uniforme e fina, pois as partículas bem dispersas são cercadas por uma camada limite de moléculas atraídas para a superfície da partícula. Para obter novos grupos funcionais para a superfície dos nanodiamantes, essa camada limite deve ser quebrada ou removida. Este processo de quebra e remoção da camada limite pode ser realizado por ultrassom.
O ultrassom introduzido no líquido gera vários efeitos extremos, como cavitação, localmente com temperatura muito alta de até 2000K e jatos de líquido de até 1000 km / h. (Suslick 1998) Por esses fatores de estresse, as forças de atração (por exemplo, forças de Van-der-Waals) podem ser superadas e as moléculas funcionais são transportadas para a superfície da partícula para funcionalizar, por exemplo, a superfície dos nanodiamantes.

Esquema 1: Gráfico da desaglomeração in situ e funcionalização da superfície de nanodiamantes (Liang 2011)

Experimentos com o tratamento de desintegração sônica assistida por contas (BASD) também mostraram resultados promissores para a funcionalização da superfície de nanodiamantes. Assim, grânulos (por exemplo, grânulos cerâmicos de tamanho micro, como grânulos de ZrO2) foram usados para reforçar o ultrassom cavitacional forças sobre as partículas de nanodiamante. A desaglomeração ocorre devido à colisão interparticular entre as partículas de nanodiamante e o ZrO₂ Contas.
Devido à melhor disponibilidade da superfície das partículas, para reações químicas como a redução, arilação ou silanização de Boran, um pré-tratamento ultrassônico ou BASD (desintegração sônica assistida por esferas) para fins de dispersão é altamente recomendado. Por ultrassônico Dispersão e desaglomeração A reação química pode prosseguir muito mais completamente.