Nanodiamanty rozptýlené vo vodnej suspenzii sonikáciou

Nanodiamantové disperzie možno pripraviť rýchlo a efektívne pomocou sonikátorov Hielscher. Vo vodnej suspenzii zabezpečuje ultrazvuková deagregácia spoľahlivý rozpad agregátov a tvorbu stabilných koloidov. V kombinácii s jednoduchým pridaním soli na úpravu pH poskytuje táto metóda jednoduchý, lacný a bezkontaminantný prístup. Vďaka svojej rozšíriteľnosti a jednoduchej realizácii je ultrazvuková disperzia veľmi vhodná nielen na laboratórny výskum, ale aj na spracovanie nanodiamantov v priemyselnom meradle.

Účinná deagregácia nanodiamantov bez kontaminácie

Nanodiamanty sa čoraz viac uplatňujú v biomedicíne, kvantových technológiách, tribológii a pokročilých kompozitoch, ale ich vnútorná tendencia tvoriť tvrdé agregáty často obmedzuje ich výkon. Dosiahnutie stabilných koloidov diskrétnych častíc je preto predpokladom presnej charakterizácie a spoľahlivej aplikácie. Bežné metódy deagregácie sa často spoliehajú na drsné techniky mletia, ktoré zavádzajú zirkón alebo iné nečistoty, čo komplikuje čistenie a obmedzuje biomedicínske použitie. Ultrazvuková disperzia ponúka rýchlu, škálovateľnú a bezkontaminantnú alternatívu. Pri použití akustickej kavitácie vo vodnom prostredí sondy sonikátorov účinne rozkladajú agregáty na jednociferné nanodiamanty. V kombinácii s jednoduchou moduláciou pH pomocou soli sa touto metódou získavajú stabilné koloidy v širokom rozsahu pH bez toho, aby sa do nich dostávali toxické vedľajšie produkty, čo ju robí veľmi atraktívnou pre laboratórny výskum aj priemyselnú výrobu.

Nanodiamanty môžu byť efektívne a spoľahlivo rozptýlené pomocou ultrazvukových prístrojov Hielscher.

Ako funguje ultrazvukové frézovanie a disperzia nanodiamantov?

Ultrazvuková disperzia využíva samotné nanodiamanty ako mlecie médium. Akustická kavitácia generovaná vysokovýkonnými ultrazvukovými vlnami vytvára vysokorýchlostné prúdenie kvapaliny. Tieto kvapalné prúdy urýchľujú častice (napr. diamanty) v kaši tak, že častice sa zrážajú až s rýchlosťou 280 km/s a rozpadajú sa na drobné nanočastice. Vďaka tomu je ultrazvukové frézovanie a disperzia jednoduchou, lacnou technikou bez kontaminantov, ktorá spoľahlivo deaglomeruje nanodiamant na nanočastice stabilné vo vodnom koloidnom roztoku v širokom rozsahu pH. Soľ (chlorid sodný) sa používa na stabilizáciu nanodiamantov vo vodnej kaši.
 

 
Zistite viac o ultrazvukovej nanodiamantovej deagregácii na predanalytickú prípravu vzoriek!
 

Ultrazvukové nanodiamantové frézovanie vyniká guľôčkové mlyny

Ultrazvukové ultrazvuky sondového typu sú vysoko účinné mlyny a sú zavedenou technikou frézovania pre rozsiahlu výrobu nanodiamantových suspenzií v priemyselnom meradle. Keďže ultrazvukové mlyny využívajú nanodiamanty ako mlecie médium, je úplne zabránené kontaminácii cez mletie médium, napr. zirkónovými guľôčkami. Namiesto toho ultrazvukové kavitačné sily urýchľujú častice tak, že nanodiamanty sa navzájom prudko zrážajú a rozpadajú sa na jednotnú nanoveľkosť. Táto ultrazvukom indukovaná medzičasticová kolízia je vysoko účinnou a spoľahlivou metódou na výrobu rovnomerne rozložených nanodisperzií.
Metóda ultrazvukovej disperzie a deagregácie využíva vo vode rozpustné, netoxické a nekontaminujúce prísady, ako je chlorid sodný alebo sacharóza, na reguláciu pH a stabilizáciu ultrazvukovej disperzie. Tieto kryštalické štruktúry chloridu sodného alebo sacharózy pôsobia dodatočne ako mletie, čím podporujú postup ultrazvukového mletia. Po dokončení procesu mletia sa tieto prísady dajú ľahko odstrániť jednoduchým opláchnutím vodou, čo je pozoruhodná výhoda oproti procesu keramických guľôčok. Tradičné frézovanie guľôčok, ako sú attritory, používa nerozpustné keramické mlecie médiá (napr. guľôčky, guľôčky alebo perly), ktorých abrazované zvyšky kontaminujú konečnú disperziu. Odstránenie kontaminácie spôsobenej mlecím médiom si vyžaduje zložité dodatočné spracovanie a je časovo náročné a nákladné.

Technológia ultrazvukovej dispergácie účinne vytvára vodné nanodiamantové suspenzie s úzkou distribúciou veľkosti častíc.
(Štúdia a grafika: ©Turcheniuk et al., 2016)

Príkladný protokol pre ultrazvukovú disperziu nanodiamantov

Soľou asistovaná ultrazvuková deagregácia nanodiamantov vo vode:
Zmes 10 g chloridu sodného a 0,250 g nanodiamantového prášku sa krátko ručne rozomelia pomocou porcelánového mažiara a tĺčika a vložila do 20 ml sklenenej fľaštičky spolu s 5 ml DI vody. Pripravená vzorka bola sonikovaná pomocou ultrazvukového ultrazvuku sondového typu po dobu 100 minút pri 60 % výstupnom výkone a 50 % pracovnom cykle. Po sonikácii bola vzorka rovnomerne rozdelená medzi dve 50 ml plastové odstredivkové skúmavky Falcon a rozptýlená v destilovanej vode do celkového objemu 100 ml (2 × 50 ml). Každá vzorka sa potom odstredila pomocou Eppendorfovej odstredivky 5810-R pri 4000 ot./min a 25 °C počas 10 minút a číry supernatant sa zlikvidoval. Mokré ND zrazeniny sa potom znovu rozptýlili v destilovanej vode (celkový objem 100 ml) a odstredili sa druhýkrát pri 12000 ot./min a 25 °C počas 1 hodiny. Číry supernatant bol opäť zlikvidovaný a mokré nanodiamantové zrazeniny boli znovu rozptýlené, tentoraz v 5 ml destilovanej vody na charakterizáciu. Štandardný test AgNO3 preukázal úplnú absenciu Cl⁻ v ultrazvukovo deagregovaných nanodiamantoch s asistenciou soli dvakrát premytých destilovanou vodou, ako je opísané vyššie. Po odparení vody zo vzoriek sa vytvorili čierne pevné nanodiamanty “hranolčeky” s výťažkom ∼200 mg alebo 80 % pôvodnej hmotnosti nanodiamantu. (pozri obrázok nižšie)
(porovnaj Turcheniuk et al., 2016)

Vysušená vzorka ultrazvukom rozptýlených nanodiamantov.
(Štúdia a grafika: ©Turcheniuk et al., 2016)

Vysokovýkonné ultrazvukové prístroje pre nanodiamantové disperzie

Spoločnosť Hielscher Ultrasonics navrhuje, vyrába a distribuuje vysokovýkonné ultrazvukové frézovacie a dispergačné zariadenia pre náročné aplikácie, ako je výroba nanodiamantových suspenzí, lešticích médií a nanokompozitov. Ultrazvukové prístroje Hielscher sa používajú po celom svete na dispergáciu nanomateriálov do vodných koloidných suspenzií, polymérov, živíc, povlakov a iných vysokovýkonných materiálov.
Ultrazvukové dispergátory Hielscher sú spoľahlivé a efektívne pri spracovaní s nízkou až vysokou viskozitou. V závislosti od vstupných materiálov a cieľovej konečnej veľkosti častíc je možné ultrazvukovú intenzitu presne nastaviť pre optimálne výsledky procesu.
Na spracovanie viskóznych pást, nanomateriálov a vysokých koncentrácií pevných látok musí byť ultrazvukový dispergátor schopný produkovať nepretržite vysoké amplitúdy. Hielscher Ultrasonics’ Priemyselné ultrazvukové procesory môžu pri nepretržitej prevádzke pri plnom zaťažení dodávať veľmi vysoké amplitúdy. Amplitúdy až 200 μm je možné ľahko spustiť v prevádzke 24 hodín denne, 7 dní v týždni. Možnosť prevádzky ultrazvukového dispergátora pri vysokých amplitúdach a presného nastavenia amplitúdy je potrebná na prispôsobenie podmienok ultrazvukového procesu pre optimálnu formuláciu vysoko naplnených nano-suspenzií, nano-vystužených polymérnych zmesí a nanokompozitov.
Okrem ultrazvukovej amplitúdy je ďalším veľmi dôležitým procesným parametrom tlak. Pri zvýšených tlakoch sa intenzita ultrazvukovej kavitácie a jej šmykové sily zintenzívňujú. Ultrazvukové reaktory Hielscher môžu byť pod tlakom, čím sa dosiahnu intenzívnejšie výsledky sonikácie.
Monitorovanie procesov a zaznamenávanie údajov sú dôležité pre nepretržitú štandardizáciu procesov a kvalitu produktov. Zásuvné snímače tlaku a teploty sú pripojené k ultrazvukovému generátoru na monitorovanie a riadenie procesu ultrazvukovej disperzie. Všetky dôležité parametre spracovania, ako je ultrazvuková energia (čistá + celková), teplota, tlak a čas, sa automaticky protokolujú a ukladajú na vstavanú SD kartu. Prístupom k automaticky zaznamenaným procesným údajom môžete revidovať predchádzajúce ultrazvukové behy a vyhodnotiť výsledky procesu.
Ďalšou užívateľsky prívetivou funkciou je diaľkové ovládanie prehliadača našich digitálnych ultrazvukových systémov. Pomocou diaľkového ovládania prehliadača môžete spustiť, zastaviť, nastaviť a monitorovať ultrazvukový procesor na diaľku odkiaľkoľvek.
Kontaktujte nás teraz a dozviete sa viac o našich vysokovýkonných ultrazvukových homogenizátoroch na mletie a nanodisperzie!
Nasledujúca tabuľka vám poskytuje približnú kapacitu spracovania našich ultrazvukových prístrojov: