Ultrazvuková syntéza nanodiamantov

• Vďaka svojej intenzívnej kavitačnej sile je výkonový ultrazvuk sľubnou technikou na výrobu diamantov mikrónovej a nanoveľkosti z grafitu.
• Mikro- a nanokryštalické diamanty je možné syntetizovať sonikovaním suspenzie grafitu v organickej kvapaline pri atmosférickom tlaku a izbovej teplote.
• Ultrazvuk je tiež užitočným nástrojom na následné spracovanie syntetizovaných nano diamantov, pretože ultrazvuk veľmi účinne disperguje, deaglomeruje a funkcionalizuje nanočastice.

Ultrazvuk na spracovanie nanodiamantov

Nanodiamanty (nazývané aj detonačné diamanty (DND) alebo ultradisperzné diamanty (UDD)) sú špeciálnou formou uhlíkových nanomateriálov, ktoré sa vyznačujú jedinečnými vlastnosťami - ako je štruktúra mriežky, veľký povrch, ako aj jedinečné optické a magnetické vlastnosti - a výnimočnými funkciami. Vlastnosti ultradisperzných častíc robia z týchto materiálov inovatívne zlúčeniny na vytváranie nových materiálov s mimoriadnymi funkciami. Veľkosť diamantových častíc v sadziach je približne 5 nm.

Pri intenzívnych silách, ako je sonikácia alebo detonácia, sa grafit môže premeniť na diamant.

Ultrazvukom syntetizované nanodiamanty

Syntéza diamantov je dôležitou oblasťou výskumu z hľadiska vedeckých a obchodných záujmov. Bežne používaným procesom syntézy mikrokryštalických a nanokryštalických diamantových častíc je technika vysokého tlaku a vysokej teploty (HPHT). Touto metódou sa vytvára požadovaný procesný tlak desiatok tisíc atmosfér a teploty viac ako 2000 K na výrobu hlavnej časti celosvetových dodávok priemyselného diamantu. Na premenu grafitu na diamant sú vo všeobecnosti potrebné vysoké tlaky a vysoké teploty a na zvýšenie výťažnosti diamantu sa používajú katalyzátory.
Tieto požiadavky potrebné na transformáciu možno veľmi efektívne vytvoriť použitím vysokovýkonný ultrazvuk (= ultrazvuk s nízkou frekvenciou, vysokou intenzitou):

ultrazvuková kavitácia

Ultrazvuk v kvapalinách spôsobuje lokálne veľmi extrémne účinky. Pri sonikovaní kvapalín pri vysokej intenzite majú zvukové vlny, ktoré sa šíria do kvapalného média, za následok striedanie vysokotlakových (kompresných) a nízkotlakových (zriedených) cyklov s rýchlosťou v závislosti od frekvencie. Počas nízkotlakového cyklu vytvárajú ultrazvukové vlny s vysokou intenzitou malé vákuové bubliny alebo dutiny v kvapaline. Keď bubliny dosiahnu objem, pri ktorom už nemôžu absorbovať energiu, prudko sa zrútia počas vysokotlakového cyklu. Tento jav sa nazýva Kavitácie. Počas implózie sa lokálne dosahujú veľmi vysoké teploty (cca 5 000 K) a tlaky (cca 2 000 atm). Implózia kavitačnej bubliny má tiež za následok prúdy kvapaliny s rýchlosťou až 280 m/s. (Suslick 1998) Je zrejmé, že mikro- a nanokryštalický Diamanty môžu byť syntetizované v oblasti ultrazvuku Kavitácie.

Ultrazvukový postup na syntézu nanodiamantov

Štúdia Khachatryan et al. (2008) de facto ukazuje, že diamantové mikrokryštály možno syntetizovať aj ultrazvukovou ultrazvukovou suspenziou grafitu v organickej kvapaline pri atmosférickom tlaku a izbovej teplote. Ako kavitačná kvapalina bola zvolená receptúra aromatických oligomerov kvôli nízkemu tlaku nasýtených pár a vysokej teplote varu. V tejto kvapaline je špeciálny čistý grafitový prášok – s časticami v rozmedzí 100-200 μm – bol suspendovaný. V experimentoch Kachatryana a kol. bol pomer hmotnosti pevnej látky a tekutiny 1:6, hustota kavitačnej tekutiny bola 1,1 g cm^-3 pri 25 °C. Maximálna intenzita ultrazvuku v sonoreaktore bola 75-80W cm^-2 zodpovedá amplitúde akustického tlaku 15-16 barov.
Dosiahla sa približne 10% konverzia grafitu na diamant. Diamanty boli takmer mono-dispergované s veľmi ostrou, dobre navrhnutou veľkosťou v rozmedzí 6 alebo 9 μm ± 0,5 μm, s kubickými, kryštalický morfológia a vysoká čistota.

SEM snímky ultrazvukom syntetizovaných diamantov: obrázky (a) a (b) zobrazujú sériu vzoriek 1, (c) a (d) sériu vzoriek 2. [Khachatryan et al. 2008]

Tá náklady mikro- a nanodiamantov vyrobených touto metódou sa odhaduje na súťažný s procesom vysokého tlaku a vysokej teploty (HPHT). Vďaka tomu je ultrazvuk inovatívnou alternatívou pre syntézu mikro- a nanodiamantov (Khachatryan et al. 2008), najmä preto, že výrobný proces nanodiamantov možno optimalizovať ďalšími výskummi. Mnoho parametrov, ako je amplitúda, tlak, teplota, kavitačná kvapalina a koncentrácia, sa musia presne preskúmať, aby sa objavila sladká bodka syntézy ultrazvukových nanodiamantov.
Na základe výsledkov dosiahnutých pri syntéze nanodiamantov sa ďalej ultrazvukom generuje Kavitácie ponúka potenciál pre syntézu ďalších dôležitých zlúčenín, ako je kubický nitrid bóru, nitrid uhlíka atď. (Khachatryan et al. 2008)
Ďalej sa zdá, že je možné vytvoriť diamantové nanodrôty a nanotyče z viacstenných uhlíkových nanotrubíc (MWCNT) pri ultrazvukovom ožarovaní. Diamantové nanodrôty sú jednorozmerné analógy objemového diamantu. Vďaka vysokému modulu pružnosti, pomeru pevnosti k hmotnosti a relatívnej ľahkosti, s akou je možné jeho povrchy funkcionalizovať, sa zistilo, že diamant je optimálnym materiálom pre nanomechanické návrhy. (Sun et al. 2004)

Ultrazvuková dispergácia nanodiamantov

Ako už bolo opísané, deaglomerácia a rovnomerné rozdelenie veľkosti častíc v prostredí sú základnými predpokladmi úspešného využitia nanodiamantov’ jedinečné vlastnosti.
rozptyl a Deaglomerácia ultrazvukom sú výsledkom ultrazvuku Kavitácie. Pri vystavení kvapalín ultrazvuku majú zvukové vlny, ktoré sa šíria do kvapaliny, za následok striedanie vysokotlakových a nízkotlakových cyklov. Tým sa aplikuje mechanické namáhanie na príťažlivé sily medzi jednotlivými časticami. Ultrazvuková kavitácia v kvapalinách spôsobuje vysokorýchlostné prúdy kvapalín až 1000 km/h (približne 600 mph). Takéto trysky tlačia kvapalinu pod vysokým tlakom medzi častice a oddeľujú ich od seba. Menšie častice sa urýchľujú prúdmi kvapaliny a zrážajú sa vysokou rýchlosťou. Vďaka tomu je ultrazvuk účinným prostriedkom na rozptýlenie, ale aj na Frézovanie častíc veľkosti mikrónov a submikrónov.
Napríklad nanodiamanty (priemerná veľkosť približne 4 nm) a polystyrén môžu byť rozptýlené v cyklohexáne, aby sa získal špeciálny kompozit. Chipara a i. (2010) vo svojej štúdii pripravili kompozity polystyrénu a nanodiamantov, ktoré obsahovali nanodiamanty v rozsahu od 0 do 25 % hmotnosti. Na získanie rovnomernej disperzie sonikovali roztok 60 min pomocou výkonného 1000 W sonikátora Hielscher model UIP1000hd.
Zistite viac o ultrazvukovej deagregácii nanodiamantov!

Ultrazvukom asistovaná funkcionalizácia nanodiamantov

Na funkcionalizáciu celého povrchu každej nanočastice musí byť povrch častice prístupný chemickej reakcii. To znamená, že je potrebná rovnomerná a jemná disperzia, pretože dobre rozptýlené častice sú obklopené hraničnou vrstvou molekúl priťahovaných k povrchu častíc. Na získanie nových funkčných skupín do nanodiamantov’ povrchu, musí byť táto hraničná vrstva prerušená alebo odstránená. Tento proces prerušenia a odstránenia hraničnej vrstvy možno vykonať ultrazvukom.
Ultrazvuk zavedený do kvapaliny vytvára rôzne extrémne účinky, ako napr. Kavitácie, lokálne veľmi vysoká teplota až 2000 K a kvapalné prúdy s rýchlosťou až 1000 km/hod (Suslick 1998) Týmto stresovým faktorom možno prekonať príťažlivé sily (napr. Van-der-Waalsove sily) a funkčné molekuly sa dostanú na povrch častice, aby sa funkcionalizovali, napr. nanodiamanty’ povrch.

Schéma 1: Grafika in situ-deaglomerácie a povrchovej funkcionalizácie nanodiamantov (Liang 2011)

Experimenty s liečbou Bead-Assisted Sonic Disintegration (BASD) ukázali sľubné výsledky aj pre povrchovú funkciu nanodiamantov. Na vynútenie ultrazvuku sa preto použili guľôčky (napr. mikrokeramické guľôčky, ako sú guľôčky ZrO2) Kavitácia sily na nanodiamantové častice. K deaglomerácii dochádza v dôsledku interkonkrétnej kolízie medzi nanodiamantovými časticami a ZrO₂ Korálky.
Vzhľadom na lepšiu dostupnosť častíc’ povrchu, pri chemických reakciách, ako je boranová redukcia, arylácia alebo silanizácia, sa na dispergačné účely odporúča ultrazvuková alebo BASD (sonická dezintegrácia s asistenciou guličiek) predbežná úprava. Ultrazvukom Rozptyľuje a Deaglomerácia Chemická reakcia môže prebiehať oveľa úplnejšie.