Hielscher tecnologia de ultra-som

Síntese de ultra-sons Nanodiamantes

  • Devido à sua intensa força cavitational, ultra-som de energia é uma técnica promissora para produzir diamantes mícron e nano-sized de grafite.
  • diamantes micro e nano-cristalinos, podem ser sintetizados sonicando uma suspensão de grafite no líquido orgânico à pressão atmosférica e temperatura ambiente.
  • Ultra-sons é também uma ferramenta útil para o pós-processamento dos diamantes nano sintetizados, como ultra-sons dispersa, desaglomera e funcionaliza nano partículas muito eficaz.

Ultrasonics para Nanodiamond tratamento

Nanodiamantes (losangos também chamado de detonação (DND) ou diamantes ultradispersed (UDD)) são uma forma especial de nanomateriais de carbono distinguidas por características únicas tais como a sua - gelosia estrutura, a sua grande superfície, Bem como única ótico e magnético propriedades - e aplicações excepcionais. As propriedades das partículas ultradispersed fazer estes 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.

Síntese de ultra-sons Nanodiamantes

Sob forças intensas, tais como sonicao ou detonação, de grafite podem ser transformados em diamante.

Ultra-som sintetizado Nanodiamantes

A síntese de diamantes é um campo de pesquisa importante sobre interesses científicos e comerciais. O processo geralmente utilizado para a síntese de micro-cristalina e de partículas de diamante nano-cristalinos é a técnica de alta pressão de alta temperatura (HPHT). Por este método, a pressão do processo requerido de dezenas de milhares de atmosferas e temperaturas superiores a 2000K são gerados para produzir a parte principal do fornecimento mundial de diamante industrial. Para a transformação de grafite em diamante, em altas pressões e temperaturas elevadas em geral são necessárias, e catalisadores são utilizados para aumentar o rendimento de diamante.
Estes requisitos necessários para a transformação pode ser gerado de forma muito eficiente com o uso de O ultra-som de alta potência (= Frequência baixa, alta intensidade ultra-som):

cavitação ultra-sônica

O ultra-som em líquidos causa efeitos locais muito extremos. Quando se somam liquidos em altas intensidades, as ondas sonoras que se propagam na mídia líquida resultam em ciclos alternativos de alta pressão (compressão) e baixa pressão (ráfagas), com taxas dependendo da freqüência. Durante o ciclo de baixa pressão, as ondas ultra-sônicas de alta intensidade criam pequenas bolhas de vácuo ou vazios no líquido. Quando as bolhas atingem um volume no qual elas não podem mais absorver energia, elas colapsam violentamente durante um ciclo de alta pressão. Esse fenômeno é denominado cavitação. Durante a implosão temperaturas muito elevadas (aprox. 5.000 K) e pressões (aprox. 2,000atm) são alcançados localmente. A implosão da bolha de cavitação também resulta em jactos de líquido de até 280m / s velocidade. (Suslick 1998) É óbvio que micro e nano-cristalino diamantes pode ser sintetizada no campo de ultra-sons cavitação.

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Processo de ultra-sons para a Síntese de Nanodiamantes

De facto, o estudo de Khachatryan et al. (2008) mostra que os microcristais de diamante também pode ser sintetizado pela ultra-sonicação de uma suspensão de grafite no líquido orgânico à pressão atmosférica e temperatura ambiente. Como fluido de cavitação, uma fórmula de oligómeros aromáticos foi escolhido devido à sua pressão de vapor saturado de baixa e a sua temperatura de ponto de ebulição elevado. Neste líquido, o pó especial grafite pura – com partículas no intervalo entre 100-200? m - foi suspensa. . Nas experiências de Kachatryan et ai, a proporção em peso sólido de líquido foi de 1: 6, a densidade do fluido cavitação foi 1,1 g cm-3 de a 25 ° C. A intensidade de ultra-sons máximo no sonoreactor foi 75-80W centímetros-2 correspondendo a uma amplitude de pressão de som de 15-16 bar.
Foi conseguida uma conversão de aproximadamente grafite-a-diamante 10%. Os diamantes eram quase mono-disperso com um tamanho muito afiado, bem concebido na gama de 6 ou 0,5 um ± 9¼m com cúbico, cristalino e morfologia alta pureza.

diamantes ultra-som sintetizado (MEV): ultra-som de alta potência fornece a energia necessária para induzir nanodiamonds' synthsis

As imagens SEM dos diamantes por ultra-sons sintetizados: imagens (a) e (b) mostram a série de amostras 1, (c) e (d) da série de amostras 2. [Khachatryan et al. 2008]

o custos de micro- e nanodiamantes produzidos por este método é estimada como sendo competitivo com o processo de alta pressão de alta temperatura (HPHT). Isso faz com ultra-sons uma alternativa inovadora para a síntese de micro- e nanodiamantes (Khachatryan et al. 2008), especialmente como o processo de produção de nanodiamantes podem ser optimizadas por outras investigações. Muitos parâmetros tais amplitude, pressão, temperatura, fluidos de cavitação, e concentração deve ser examinado com precisão para descobrir o ponto doce de síntese nanodiamond de ultra-sons.
Pelos resultados obtidos na síntese de nanodiamantes, gerada por ultra-sons mais cavitação oferece o potencial para a síntese de outros compostos importantes, tais como o nitreto de boro cico, nitreto de carbono, etc. (Khachatryan et al. 2008)
Além disso, parece ser possível criar nanofios de diamante e nanorods de nanotubos de carbono de paredes múltiplas (MWCNTs) sob irradiação ultra-sónica. nanofios de diamante são análogos unidimensionais de volume de diamante. Devido ao seu elevado módulo de elasticidade, a relação resistência-peso, e a relativa facilidade com que as suas superfícies podem ser funcionalizados, diamante foi encontrado para ser o material ideal para projectos nanomechanical. (Sun et al., 2004)

Ultrasonic Dispersão de Nanodiamantes

Como já foi descrito, a desaglomeração e a distribuição de tamanho de partícula, mesmo no meio são indispensáveis ​​para a exploração com sucesso de características únicas nanodiamantes.
dispersão e desaglomeração por ultra-som são um resultado de ultra-som cavitação. Ao expor líquidos para ultra-som, as ondas sonoras que se propagam no líquido resultam em ciclos alternados de alta pressão e baixa pressão. Isso aplica o estresse mecânico sobre as forças de atração entre as partículas individuais. A cavitação ultra-sônica em líquidos provoca jatos líquidos de alta velocidade de até 1000 km / h (aproximadamente 600 mph). Esses jatos pressionam líquido a alta pressão entre as partículas e separam-se um do outro. As partículas mais pequenas são aceleradas com os jatos líquidos e colidem a altas velocidades. Isso faz com que o ultra-som seja um meio eficaz para a dispersão, mas também para o fresagem mícron de tamanho e partículas sub mícron de tamanho.
Por exemplo, (tamanho médio de cerca de 4 nM) e nanodiamantes poliestireno pode ser disperso em ciclo-hexano para se obter um composto especial. No seu estudo, Chipara et al. (2010) prepararam compósitos de poliestireno e nanodiamantes, contendo nanodiamantes numa gama entre 0 e 25 peso%. Para obter um mesmo dispersão, Eles sonicada a solução durante 60 min com Hielscher de UIP1000hd (1 kW).

Ultra-som Assisted funcionalização de Nanodiamantes

Para a funcionalização da superfície completa de cada uma das partículas de tamanho nanométrico, a superfície da partícula devem estar disponíveis para reacção química. Isto significa uma dispersão uniforme e fina é necessário que as partículas bem dispersas estão rodeados por uma camada limite de moléculas atraídos para a superfície das partículas. Para obter novos grupos funcionais à superfície nanodiamonds, esta camada limite tem de ser quebrado ou removido. Este processo de ruptura e a remoção da camada limite pode ser realizada por ultra-sons.
O ultra-som introduzido no líquido gera vários efeitos extremas, tais como cavitação, Localmente muito alta temperatura até 2000K e jactos de líquido de até 1000 km / h. (Suslick 1998) Por esse stress factores as forças de atracção (e.g. forças de van-der-Waals) pode ser superada e as moléculas funcionais são transportadas para a superfície da partícula para funcionalizar, v.g. superfície nanodiamantes.

Under powerful ultrasonic irradiation (e.g. with Hielscher's UIP2000hdT) it becomes possible to synthesis, deagglomerate and functionalize nanodiamonds efficiently.

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

As experiências com o tratamento do grânulo-Assisted sónico Desintegração (BASD) têm mostrado resultados promissores para a funcionalização da superfície de nanodiamantes bem. Desse modo, grânulos (por exemplo esferas de cerâmica de tamanho miniaturizado, tais como grânulos de ZrO2) têm sido utilizados para aplicar a ultra-sons cavitacional forças sobre as partículas nanodiamond. A desaglomeração ocorre devido à colisão entre as partículas interparticular nanodiamond e o ZrO2 miçangas.
Devido à melhor disponibilidade de superfície das partículas, para reacções químicas, tais como a redução Boran, arilação ou silanização, um (grânulo assistida sónica desintegração) pré-tratamento de ultra-sons ou BASD para dispersar finalidade é altamente recomendável. por ultra-som Dispersão e desaglomeração a reacção química pode prosseguir muito mais completamente.

Quando de alta potência, de ultra-som de baixa frequência é introduz num meio líquido, a cavitação é gerado.

caviatation resultados de ultra-sons em diferenças de temperatura e de pressão extrema e jactos de líquido de alta velocidade. Desse modo, o ultra-som de energia é um método de tratamento de sucesso para a mistura e moagem de aplicações.

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Literatura / Referências

  • Chipara, A. C. et al .: propriedades térmicas de partículas nanodiamond dispersos em poliestireno. HESTEC de 2010.
  • El-Say, K. M .: Nanodiamantes como um sistema de administração de fármaco: Aplicação e prospectivo. Em J. Appl Pharm Sci 01/06, 2,011; pp. 29-39.
  • Khachatryan, A. Kh. et al .: transformação grafite-a-diamante induzida por cavitação ultra-sónica. In: Diamante & Materiais relacionados 17, 2008; pp931-936.
  • Krueger, R .: A estrutura e reactividade de nanoescala diamante. Em: J Mater Chem 18, 2008; pp. 1485-1492.
  • Liang, Y:. Desaglomeração e superfície de nanodiamantes por meio de métodos mecanoquímicos termo-químico e. Dissertação Julius-Maximilians-Universität Würzburg 2011a
  • Osawa, E .: monodispersas únicas partículas nanodiamond. Em: Pure Appl Chem 80/7, 2008; pp. 1365-1379.
  • Pramatarova, L. et al .: A vantagem de Compostos de Polímero com detonação Nanodiamond partículas para aplicações médicas. In: Em Biomimética; pp. 298-320.
  • Sun, G .; Gong, J .; Zhu, D .; Zhu, Z .; Ele, S .: Diamante nanobastões de nanotubos de carbono. In: Materiais Avançados 16/2004. pp. 1849-1853.
  • Suslick, K.S .: Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology. 4ª ed. J. Wiley & Filhos: Nova Iorque; 26 de 1998; PP. 517-541.

nanodiamonds – Uso e Aplicações

Os grãos nanodiamond são instáveis ​​devido à sua potencial zeta. Assim, eles tendem altamente para formar agregados. Uma aplicação comum de nanodiamantes é o uso de abrasivos, ferramentas de corte e os dissipadores de calor e de polimento. Outra utilização potencial é a aplicação de nanodiamantes como veículo do fármaco para os componentes activos farmacêuticos (cf. Pramatarova). De Ultra-som, Em primeiro lugar nanodiamantes pode ser sintetizado a partir de grafite e em segundo lugar, os nanodiamantes fortemente tendendo a aglomeração pode ser uniformemente dispersos em meio líquido (por exemplo, para formular um agente de polimento).