Sinteza cu ultrasunete de nanodiamante

• Datorită forței sale cavitaționale intense, ultrasunetele de putere sunt o tehnică promițătoare pentru a produce diamante de dimensiuni micronice și nano din grafit.
• Diamantele micro- și nanocristaline pot fi sintetizate sonicând o suspensie de grafit în lichid organic la presiunea atmosferică și temperatura camerei.
• Cu ultrasunete este, de asemenea, un instrument util pentru post-procesarea nano diamante sintetizate, ca ultrasonication dispersează, deaglomerate și funcționalizează nanoparticule foarte eficiente.

Ultrasonics pentru tratamentul nanodiamond

Nanodiamantele [denumite și diamante de detonare (DND) sau diamante ultradispersate (UDD)] sunt o formă specială de nanomateriale de carbon care se disting prin caracteristici unice – cum ar fi Lattice structură, este mare suprafață, precum și unic Optice și magnetic proprietăți – și aplicații excepționale. Proprietățile particulelor ultradispersate fac din aceste materiale compuși inovatori pentru crearea de noi materiale cu funcții extraordinare. Dimensiunea particulelor de diamant din funingine este de aproximativ 5nm.

Sub forțe intense, cum ar fi sonicare sau detonare, grafitul poate fi transformat în diamant.

Ultrasonically sintetizate nanodiamante

Sinteza diamantelor este un domeniu important de cercetare în ceea ce privește interesele științifice și comerciale. Procesul utilizat în mod obișnuit pentru sinteza particulelor de diamant microcristaline și nanocristaline este tehnica HPHT. Prin această metodă, presiunea necesară procesului de zeci de mii de atmosfere și temperaturi de peste 2000K sunt generate pentru a produce cea mai mare parte a aprovizionării mondiale cu diamante industriale. Pentru transformarea grafitului în diamant, în general sunt necesare presiuni ridicate și temperaturi ridicate, iar catalizatorii sunt utilizați pentru a crește randamentul diamantului.
Aceste cerințe necesare pentru transformare pot fi generate foarte eficient prin utilizarea ultrasunete de mare putere (= ultrasunete de joasă frecvență, de intensitate înaltă):

Cavitație cu ultrasunete

Ecografia în lichide provoacă local efecte foarte extreme. La sonicarea lichidelor la intensități mari, undele sonore care se propagă în mediul lichid au ca rezultat alternarea ciclurilor de înaltă presiune (compresie) și joasă presiune (rarefiere), cu rate în funcție de frecvență. În timpul ciclului de joasă presiune, undele ultrasonice de înaltă intensitate creează bule mici de vid sau goluri în lichid. Când bulele ating un volum la care nu mai pot absorbi energie, ele se prăbușesc violent în timpul unui ciclu de înaltă presiune. Acest fenomen este numit Cavitaţie. În timpul imploziei, temperaturile foarte ridicate (aprox. 5.000K) și presiunile (aprox. 2.000atm) sunt atinse local. Implozia bulei de cavitație are ca rezultat, de asemenea, jeturi lichide cu o viteză de până la 280 m / s. (Suslick 1998) Este evident că micro- și nanocristaline Diamantele pot fi sintetizate în domeniul ultrasunetelor Cavitaţie.

Procedura cu ultrasunete pentru sinteza nanodiamantelor

De facto, studiul lui Khachatryan et al. (2008) arată că microcristalele de diamant pot fi, de asemenea, sintetizate prin ultrasonication a unei suspensii de grafit în lichid organic la presiunea atmosferică și temperatura camerei. Ca lichid de cavitație, a fost aleasă o formulă de oligomeri aromatici datorită presiunii scăzute a vaporilor saturați și temperaturii ridicate de fierbere. În acest lichid, pulberea specială de grafit pur – cu particule cuprinse între 100-200 μm – a fost suspendat. În experimentele lui Kachatryan et al., raportul de greutate solid-fluid a fost de 1: 6, densitatea lichidului de cavitație a fost de 1,1 g cm^-3 la 25°C. Intensitatea maximă cu ultrasunete în sonoreactor a fost de 75-80W cm^-2 corespunzând unei amplitudini a presiunii acustice de 15-16 bari.
S-a realizat o conversie de aproximativ 10% grafit-diamant. Diamantele erau aproape mono-dispersate cu o dimensiune foarte ascuțită, bine proiectată, cuprinsă între 6 sau 9μm ± 0,5μm, cu cub, Cristalină morfologie și puritate ridicată.

Imagini SEM ale diamantelor sintetizate ultrasonically: imaginile (a) și (b) arată seria de probe 1, (c) și (d) seria de probe 2. [Khachatryan și colab., 2008]

Cel costă de micro- și nanodiamante produse prin această metodă este estimată a fi competitiv cu procesul de înaltă presiune-temperatură înaltă (HPHT). Acest lucru face ca ultrasunetele să fie o alternativă inovatoare pentru sinteza micro- și nano-diamantelor (Khachatryan et al. 2008), mai ales că procesul de producție a nanodiamantelor poate fi optimizat prin investigații suplimentare. Mulți parametri, ar fi amplitudinea, presiunea, temperatura, lichidul de cavitație și concentrația trebuie examinate cu precizie pentru a descoperi locul dulce al sintezei nanodiamantelor cu ultrasunete.
Prin rezultatele obținute în sintetizarea nanodiamantelor, generate în continuare ultrasonically Cavitaţie oferă potențialul de sinteză a altor compuși importanți, cum ar fi nitrura cubică de bor, nitrura de carbon etc. (Khachatryan et al. 2008)
Mai mult, se pare că este posibil să se creeze nanofire de diamant și nanotije din nanotuburi de carbon cu pereți multipli (MWCNT) sub iradiere cu ultrasunete. Nanofirele de diamant sunt analogi unidimensionali ai diamantului în vrac. Datorită modulului său elastic ridicat, raportului rezistență-greutate și ușurinței relative cu care suprafețele sale pot fi funcționalizate, diamantul s-a dovedit a fi materialul optim pentru modelele nanomecanice. (Sun și colab., 2004)

Dispersarea cu ultrasunete a nanodiamantelor

După cum s-a descris deja, dezaglomerarea și distribuția uniformă a dimensiunii particulelor în mediu sunt esențiale pentru exploatarea cu succes a caracteristicilor unice ale nanodiamantelor.
dispersie și dezaglomerare Prin ultrasonication sunt un rezultat al ultrasunetelor Cavitaţie. La expunerea lichidelor la ultrasunete, undele sonore care se propagă în lichid au ca rezultat cicluri alternative de înaltă presiune și joasă presiune. Aceasta aplică stres mecanic asupra forțelor de atracție dintre particulele individuale. Cavitația cu ultrasunete în lichide provoacă jeturi lichide de mare viteză de până la 1000 km / oră (aproximativ 600 mph). Astfel de jeturi presează lichidul la presiune ridicată între particule și le separă unul de celălalt. Particulele mai mici sunt accelerate cu jeturile lichide și se ciocnesc la viteze mari. Acest lucru face ca ultrasunetele să fie un mijloc eficient pentru dispersare, dar și pentru Frezare de particule de dimensiuni micronice și submicronice.
De exemplu, nanodiamantele (dimensiunea medie de aproximativ 4nm) și polistirenul pot fi dispersate în ciclohexan pentru a obține un compozit special. În studiul lor, Chipara et al. (2010) au preparat compozite de polistiren și nanodiamante, conținând nanodiamante într-un interval cuprins între 0 și 25% greutate. Pentru a obține un par dispersie, au sonicat soluția timp de 60 min cu Hielscher's UIP1000hd (1kW).

Funcționalizarea asistată ultrasonically a nanodiamantelor

Pentru funcționalizarea întregii suprafețe a fiecărei particule de dimensiuni nanometrice, suprafața particulei trebuie să fie disponibilă pentru reacția chimică. Aceasta înseamnă că este necesară o dispersie uniformă și fină, deoarece particulele bine dispersate sunt înconjurate de un strat limită de molecule atrase de suprafața particulelor. Pentru a obține noi grupuri funcționale pe suprafața nanodiamantelor, acest strat limită trebuie să fie rupt sau îndepărtat. Acest proces de rupere și îndepărtare a stratului limită poate fi realizat prin ultrasunete.
Ultrasunetele introduse în lichid generează diverse efecte extreme, cum ar fi: Cavitaţie, temperatură local foarte ridicată de până la 2000K și jeturi lichide de până la 1000 km / oră. (Suslick 1998) Prin acești factori de stres, forțele de atracție (de exemplu, forțele Van-der-Waals) pot fi depășite și moleculele funcționale sunt transportate la suprafața particulei pentru a funcționa, de exemplu, suprafața nanodiamantelor.

Schema 1: Graficul dezaglomerării in situ și funcționalității suprafeței nanodiamantelor (Liang 2011)

Experimentele cu tratamentul de dezintegrare sonică asistată de mărgele (BASD) au arătat rezultate promițătoare și pentru funcționarea suprafeței nanodiamantelor. Astfel, margele (de exemplu, margele ceramice de dimensiuni micro, cum ar fi margelele ZrO2) au fost folosite pentru a impune ultrasunete cavitațională forțează particulele nanodiamantului. Deaglomerarea are loc datorită coliziunii interparticulare dintre particulele de nanodiamant și ZrO₂ Margele.
Datorită disponibilității mai bune a suprafeței particulelor, pentru reacții chimice, cum ar fi reducerea boranului, arilarea sau silanizarea, este foarte recomandat un pre-tratament cu ultrasunete sau BASD (dezintegrare sonică asistată de mărgele) în scopul dispersării. Prin ultrasunete Dispersarea și dezaglomerare Reacția chimică poate continua mult mai complet.