Nanodiamante dispersate în suspensie apoasă prin sonicare

Dispersiile de nanodiamante pot fi preparate rapid și eficient cu ajutorul sonicatoarelor Hielscher. În suspensie apoasă, dezagregarea cu ultrasunete asigură descompunerea fiabilă a agregatelor și formarea de coloizi stabili. Atunci când este combinată cu simpla adăugare de sare pentru ajustarea pH-ului, metoda oferă o abordare facilă, ieftină și lipsită de contaminanți. Datorită scalabilității și implementării simple, dispersarea cu ultrasunete este foarte potrivită nu numai pentru cercetarea de laborator, ci și pentru procesarea nanodiamantelor la scară industrială.

Dezagregarea eficientă și fără contaminare a nanodiamantelor

Nanodiamantele sunt tot mai mult utilizate în biomedicină, tehnologii cuantice, tribologie și compozite avansate, însă tendința lor intrinsecă de a forma agregate dure limitează adesea performanța. Obținerea unor coloizi stabili din particule discrete este, prin urmare, o condiție prealabilă pentru o caracterizare exactă și o aplicare fiabilă. Metodele convenționale de dezagregare se bazează frecvent pe tehnici de măcinare agresive, care introduc oxid de zirconiu sau alte impurități, complicând purificarea și restricționând utilizarea biomedicală. Dispersarea cu ultrasunete oferă o alternativă rapidă, scalabilă și lipsită de contaminanți. Prin aplicarea cavitației acustice în medii apoase, sonicatoarele cu sondă descompun eficient agregatele în nanodiamante de dimensiuni exprimate printr-o singură cifră. Atunci când este combinată cu o simplă modulare a pH-ului asistată de sare, această metodă produce coloizi stabili într-un domeniu larg de pH, fără a introduce produse secundare toxice, ceea ce o face foarte atractivă atât pentru cercetarea de laborator, cât și pentru producția la scară industrială.

Nanodiamantele pot fi dispersate eficient și fiabil cu ajutorul ultrasonicatoarelor Hielscher.

Cum funcționează măcinarea și dispersarea cu ultrasunete a nanodiamantelor?

Dispersarea cu ultrasunete folosește chiar nanodiamantele drept medii de măcinare. Cavitația acustică generată de undele ultrasonice de mare putere creează curenți de lichid de mare viteză. Acești curenți de lichid accelerează particulele (de ex., diamantele) din suspensie, astfel încât particulele se ciocnesc cu viteze de până la 280km/s și se sfărâmă în particule minuscule de dimensiuni nanometrice. Acest lucru face din măcinarea și dispersarea cu ultrasunete o tehnică facilă, ieftină și lipsită de contaminanți, care dezaglomerează în mod fiabil nanodiamantul în particule de dimensiuni nanometrice, stabile în soluție coloidală apoasă într-un domeniu larg de pH. Sarea (clorura de sodiu) este utilizată pentru a stabiliza nanodiamantele într-o suspensie apoasă.

 
Aflați mai multe despre dezagregarea nanodiamantelor cu ultrasunete pentru pregătirea preanalitică a probelor!
 

Măcinarea nanodiamantelor cu ultrasunete depășește morile cu bile

Ultrasonicatoarele cu sondă sunt mori foarte eficace și reprezintă o tehnică de măcinare consacrată pentru producția pe scară largă a suspensiilor de nanodiamante la scară industrială. Deoarece morile cu ultrasunete utilizează nanodiamantele drept medii de măcinare, contaminarea prin mediile de măcinare, de ex. de la bilele de oxid de zirconiu, este complet evitată. În schimb, forțele de cavitație ultrasonică accelerează particulele, astfel încât nanodiamantele se ciocnesc violent între ele și se fragmentează până la o dimensiune nanometrică uniformă. Această coliziune interparticulară indusă cu ultrasunete este o metodă foarte eficientă și fiabilă pentru producerea de nanodispersii distribuite uniform.
Metoda de dispersare și dezagregare cu ultrasunete utilizează aditivi solubili în apă, netoxici și necontaminanți, precum clorura de sodiu sau zaharoza, pentru reglarea pH-ului și stabilizarea dispersiei ultrasonice. Aceste structuri cristaline de clorură de sodiu sau zaharoză acționează suplimentar ca medii de măcinare, sprijinind astfel procedeul de măcinare cu ultrasunete. După încheierea procesului de măcinare, acești aditivi pot fi îndepărtați cu ușurință printr-o simplă clătire cu apă, ceea ce reprezintă un avantaj remarcabil față de un proces cu bile ceramice. Măcinarea tradițională cu bile, de exemplu cu atritoare, utilizează medii de măcinare ceramice insolubile (de ex. bile, mărgele sau perle), ale căror reziduuri rezultate prin abraziune contaminează dispersia finală. Îndepărtarea contaminării cauzate de mediile de măcinare implică o post-procesare complexă și este atât consumatoare de timp, cât și costisitoare.

Tehnologia de dispersare cu ultrasunete produce eficace suspensii apoase de nanodiamante cu o distribuție îngustă a dimensiunii particulelor.
(Studiu și grafic: ©Turcheniuk et al., 2016)

Protocol exemplificativ pentru dispersarea nanodiamantelor cu ultrasunete

Dezagregarea cu ultrasunete asistată de sare a nanodiamantelor în apă:
Un amestec de 10 g de clorură de sodiu și 0,250 g de pulbere de nanodiamant a fost măcinat scurt manual, folosind un mojar și un pistil din porțelan, și introdus într-un flacon de sticlă de 20 mL împreună cu 5 mL de apă DI. Proba preparată a fost sonicată cu un ultrasonicator cu sondă timp de 100 min la 60% putere de ieșire și 50% ciclu de lucru. După sonicare, proba a fost împărțită în mod egal între două tuburi de centrifugă Falcon din plastic de 50 mL și dispersată în apă distilată până la un volum total de 100 mL (2 × 50 mL). Fiecare probă a fost apoi centrifugată cu o centrifugă Eppendorf 5810-R la 4000 rpm și 25°C timp de 10 min, iar supernatantul limpede a fost îndepărtat. Precipitatele umede de ND au fost apoi redispersate în apă distilată (volum total de 100 mL) și centrifugate a doua oară la 12.000 rpm și 25 °C timp de 1 h. Din nou, supernatantul limpede a fost îndepărtat, iar precipitatele umede de nanodiamant au fost redispersate, de această dată în 5 mL de apă distilată, pentru caracterizare. Un test standard cu AgNO3 a arătat absența completă a Cl⁻ în nanodiamantele dezagregate cu ultrasunete cu asistență de sare și spălate de două ori cu apă distilată, conform descrierii de mai sus. După evaporarea apei din probe, s-a observat formarea de „așchii” solide negre de nanodiamant, cu un randament de ∼200 mg sau 80% din masa inițială de nanodiamant. (vezi imaginea de mai jos)
(cf. Turcheniuk et al., 2016)

Probă uscată de nanodiamante dispersate cu ultrasunete.
(Studiu și grafic: ©Turcheniuk et al., 2016)

Ultrasonicatoare de înaltă performanță pentru dispersii de nanodiamante

Hielscher Ultrasonics proiectează, fabrică și distribuie echipamente de măcinare și dispersare cu ultrasunete de înaltă performanță pentru aplicații solicitante, precum fabricarea suspensiilor de nanodiamante, a mediilor de lustruire și a nanocompozitelor. Ultrasonicatoarele Hielscher sunt utilizate în întreaga lume pentru dispersarea nanomaterialelor în suspensii coloidale apoase, polimeri, rășini, acoperiri și alte materiale de înaltă performanță.
Dispersoarele cu ultrasunete Hielscher sunt fiabile și eficiente în procesarea materialelor cu vâscozitate scăzută până la ridicată. În funcție de materialele de intrare și de dimensiunea finală țintă a particulelor, intensitatea ultrasonică poate fi ajustată precis pentru rezultate optime ale procesului.
Pentru a procesa paste vâscoase, nanomateriale și concentrații mari de solide, dispersorul cu ultrasunete trebuie să fie capabil să producă continuu amplitudini mari. Procesoarele industriale cu ultrasunete de la Hielscher Ultrasonics pot furniza amplitudini foarte mari în funcționare continuă la sarcină maximă. Amplitudini de până la 200µm pot fi menținute cu ușurință în regim 24/7. Posibilitatea de a opera un dispersor cu ultrasunete la amplitudini mari și de a ajusta precis amplitudinea este necesară pentru a adapta condițiile procesului ultrasonic în vederea formulării optime a nanosuspensiilor cu grad ridicat de încărcare, a amestecurilor de polimeri nanoranforsați și a nanocompozitelor.
Pe lângă amplitudinea ultrasonică, presiunea este un alt parametru de proces foarte important. La presiuni ridicate, intensitatea cavitației ultrasonice și a forțelor sale de forfecare este intensificată. Reactoarele cu ultrasunete Hielscher pot fi presurizate, obținându-se astfel rezultate de sonicare intensificate.
Monitorizarea procesului și înregistrarea datelor sunt importante pentru standardizarea continuă a procesului și pentru calitatea produsului. Senzorii de presiune și de temperatură conectabili se conectează la generatorul de ultrasunete pentru monitorizarea și controlul procesului de dispersare cu ultrasunete. Toți parametrii importanți de procesare, precum energia ultrasonică (netă + totală), temperatura, presiunea și timpul, sunt înregistrați automat și stocați pe un card SD încorporat. Accesând datele de proces înregistrate automat, puteți revizui sesiunile de sonicare anterioare și evalua rezultatele procesului.
O altă funcție ușor de utilizat este controlul de la distanță prin browser al sistemelor noastre digitale cu ultrasunete. Prin controlul de la distanță prin browser, puteți porni, opri, ajusta și monitoriza procesorul dumneavoastră cu ultrasunete de la distanță, de oriunde.
Contactați-ne acum pentru a afla mai multe despre omogenizatoarele noastre cu ultrasunete de înaltă performanță pentru măcinare și nanodispersii!
Tabelul de mai jos vă oferă o indicație privind capacitatea aproximativă de procesare a ultrasonicatoarelor noastre: