Ультразвуковой синтез наноалмазов

• Благодаря своей интенсивной кавитационной силе, силовой ультразвук является перспективным методом для получения микронных и наноразмерных алмазов из графита.
• Микро- и нанокристаллические алмазы могут быть синтезированы ультразвуковой суспензией графита в органической жидкости при атмосферном давлении и комнатной температуре.
• Ультразвук также является полезным инструментом для постобработки синтезированных наноалмазов, поскольку ультразвук очень эффективно диспергирует, деагломерирует и функционализирует наночастицы.

Ультразвук для лечения наноалмазами

Наноалмазы (также называемые детонационными алмазами (DND) или ультрадисперсными алмазами (UDD)) представляют собой особую форму углеродных наноматериалов, отличающихся уникальными характеристиками, такими как его решётка структура, его большая поверхность, а также уникальные оптический и магнитный Свойства – и исключительное применение. Свойства ультрадисперсных частиц делают эти материалы инновационными соединениями для создания новых материалов с экстраординарными функциями. Размер частиц алмаза в саже составляет около 5 нм.

Под действием интенсивных сил, таких как ультразвуковая обработка или детонация, графит может превращаться в алмаз.

Ультразвуковой синтез наноалмазов

Синтез алмазов является важной областью исследований, представляющей научный и коммерческий интерес. Обычно используемым процессом синтеза микрокристаллических и нанокристаллических частиц алмаза является метод высокого давления и высокой температуры (HPHT). С помощью этого метода создается необходимое технологическое давление в десятки тысяч атмосфер и температура более 2000 К для производства основной части мировых поставок промышленных алмазов. Для превращения графита в алмаз, как правило, требуются высокие давления и высокие температуры, а для увеличения выхода алмаза используются катализаторы.
Эти требования, необходимые для преобразования, могут быть очень эффективно сгенерированы с помощью Ультразвук высокой мощности (= низкочастотный, высокоинтенсивный ультразвук):

ультразвуковая кавитация

Ультразвук в жидкостях вызывает местами очень экстремальные эффекты. При ультразвуковой обработке жидкостей с высокой интенсивностью звуковые волны, распространяющиеся в жидких средах, приводят к чередованию циклов высокого давления (сжатие) и низкого давления (разрежение), скорость которых зависит от частоты. Во время цикла низкого давления ультразвуковые волны высокой интенсивности создают небольшие вакуумные пузырьки или пустоты в жидкости. Когда пузырьки достигают объема, при котором они больше не могут поглощать энергию, они сильно схлопываются во время цикла высокого давления. Это явление называется кавитация. Во время имплозии локально достигаются очень высокие температуры (около 5 000 К) и давления (около 2 000 атм). Схлопывание кавитационного пузыря также приводит к образованию струй жидкости со скоростью до 280 м/с. (Суслик, 1998) Очевидно, что микро- и нанокристаллический Алмазы могут быть синтезированы в области ультразвукового излучения кавитация.

Ультразвуковая методика синтеза наноалмазов

Де-факто исследование Khachatryan et al. (2008) показывает, что микрокристаллы алмаза также могут быть синтезированы путем ультразвукизации суспензии графита в органической жидкости при атмосферном давлении и комнатной температуре. В качестве кавитационной жидкости была выбрана формула ароматических олигомеров из-за ее низкого давления насыщенных паров и высокой температуры кипения. В этой жидкости содержится специальный порошок чистого графита – с частицами в диапазоне от 100 до 200 мкм – была взвешенной. В экспериментах Качатряна и др. массовое соотношение твердого тела и жидкости составило 1:6, плотность кавитационной жидкости — 1,1 г см^-3 при 25°С. Максимальная интенсивность ультразвука в сонореакторе составила 75-80 Вт см^-2 что соответствует амплитуде звукового давления 15-16 бар.
Было достигнуто примерно 10% превращение графита в алмаз. Алмазы были почти монодисперсный с очень острыми, хорошо спроектированными размерами в диапазоне от 6 или 9 мкм ± 0,5 мкм, с кубическими, кристаллический морфология и высокая чистота.

СЭМ-изображения алмазов, синтезированных ультразвуком: на рисунках (a) и (b) показаны образцы серий 1, (c) и (d) образцы серии 2. [Хачатрян и др. 2008]

Тем издержки микро- и наноалмазов, полученных этим методом, оценивается в конкурентоспособный с процессом «высокое давление-высокая температура» (HPHT). Это делает ультразвук инновационной альтернативой для синтеза микро- и наноалмазов (Khachatryan et al. 2008), тем более что процесс производства наноалмазов может быть оптимизирован путем дальнейших исследований. Многие параметры, такие как амплитуда, давление, температура, кавитационная жидкость и концентрация, должны быть тщательно исследованы, чтобы обнаружить золотую зону ультразвукового синтеза наноалмазов.
Благодаря результатам, полученным в синтезе наноалмазов, в дальнейшем полученным ультразвуковым излучением кавитация предлагает потенциал для синтеза других важных соединений, таких как кубический нитрид бора, нитрид углерода и т.д. (Khachatryan et al. 2008)
Далее, по-видимому, возможно создание алмазных нанопроволок и наностержней из многостенных углеродных нанотрубок (ЧМТ) под ультразвуковым облучением. Алмазные нанопроволоки являются одномерными аналогами объемного алмаза. Благодаря высокому модулю упругости, соотношению прочности к весу и относительной легкости, с которой его поверхности могут быть функционализированы, алмаз был признан оптимальным материалом для наномеханических конструкций. (Сан и др. 2004)

Ультразвуковое диспергирование наноалмазов

Как уже было описано, деагломерация и равномерное распределение частиц по размерам в среде имеют важное значение для успешного использования уникальных характеристик наноалмазов.
дисперсия и деагломерация ультразвуком являются результатом ультразвукового кавитация. При воздействии на жидкости ультразвука звуковые волны, которые распространяются в жидкость, приводят к чередованию циклов высокого и низкого давления. Это оказывает механическое воздействие на силы притяжения между отдельными частицами. Ультразвуковая кавитация в жидкостях вызывает высокоскоростные струи жидкости со скоростью до 1000 км/ч (около 600 миль в час). Такие форсунки выдавливают жидкость под высоким давлением между частицами и отделяют их друг от друга. Более мелкие частицы ускоряются струями жидкости и сталкиваются на высоких скоростях. Это делает ультразвук эффективным средством для диспергирования, а также для измельчение частиц микронного и субмикронного размера.
Например, наноалмазы (средний размер около 4 нм) и полистирол могут быть диспергированы в циклогексане для получения специального композита. В своем исследовании Chipara et al. (2010) получили композиты из полистирола и наноалмазов, содержащие наноалмазы в диапазоне от 0 до 25% веса. Для получения четного дисперсия, они обрабатывали раствор ультразвуком в течение 60 мин с помощью метода Хильшера УИП1000HD (1 кВт).

Ультразвуковая функционализация наноалмазов

Для функционализации всей поверхности каждой наноразмерной частицы поверхность частицы должна быть доступна для химической реакции. Это означает, что требуется равномерное и мелкодисперсное диспергирование, поскольку хорошо диспергированные частицы окружены пограничным слоем молекул, притягивающихся к поверхности частиц. Чтобы получить новые функциональные группы на поверхности наноалмазов, этот пограничный слой должен быть разрушен или удален. Этот процесс разрушения и удаления пограничного слоя может быть выполнен с помощью ультразвука.
Ультразвук, вводимый в жидкость, создает различные экстремальные эффекты, такие как: кавитация, локально очень высокая температура до 2000 К и жидкие струи до 1000 км/ч. (Suslick 1998) С помощью этих факторов напряжения силы притяжения (например, силы Ван-дер-Ваальса) могут быть преодолены, и функциональные молекулы переносятся на поверхность частицы для функционализации, например, поверхность наноалмазов.

Схема 1: График деагломерации in situ и поверхностной функционализации наноалмазов (Liang 2011)

Эксперименты с обработкой Bead-Assisted Sonic Disintegration (BASD) также показали многообещающие результаты для поверхностной функционализации наноалмазов. Таким образом, бусины (например, микроразмерные керамические шарики, такие как бусины ZrO2) использовались для усиления ультразвука. кавитационный воздействует на наноалмазные частицы. Деагломерация происходит из-за межвидового столкновения между частицами наноалмаза и ZrO₂ бусы.
Из-за лучшей доступности поверхности частиц для химических реакций, таких как восстановление Борана, арилирование или силанизация, настоятельно рекомендуется ультразвуковая или BASD (звуковая дезинтеграция с помощью шариков) для диспергирования. По ультразвуку Диспергирующий и деагломерация Химическая реакция может протекать гораздо более полно.