Ultrazvočna sinteza nanodiamantov
- Zaradi svoje intenzivne kavitacijske sile je močni ultrazvok obetavna tehnika za proizvodnjo mikronskih in nano-velikih diamantov iz grafita.
- Mikro- in nanokristalni diamanti se lahko sintetizirajo s sonikalno suspenzijo grafita v organski tekočini pri atmosferskem tlaku in sobni temperaturi.
- Ultrazvočni je tudi koristno orodje za naknadno obdelavo sintetiziranih nano diamantov, saj ultrazvočno razprševanje, deaglomerati in funkcionalizira nano delce zelo učinkovito.
Ultrazvok za zdravljenje z nanodiamanti
Nanodiamanti (imenovani tudi detonacijski diamanti (DND) ali ultradispergirani diamanti (UDD)) so posebna oblika ogljikovih nanomaterialov, ki jih odlikujejo edinstvene lastnosti – kot so Rešetke struktura, njena velika površina, kot tudi edinstvene optičen in Magnetno lastnosti – in izjemne aplikacije. Zaradi lastnosti ultradispergiranih delcev so ti materiali inovativne spojine za ustvarjanje novih materialov z izrednimi funkcijami. Velikost diamantnih delcev v sajah je približno 5 nm.

Pod močnimi silami, kot sta ultrazvočna razbijanje ali detonacija, se grafit lahko pretvori v diamant.
Ultrazvočno sintetizirani nanodiamanti
Sinteza diamantov je pomembno raziskovalno področje v zvezi z znanstvenimi in komercialnimi interesi. Pogosto uporabljen postopek za sintezo mikrokristalnih in nanokristalnih diamantnih delcev je tehnika visokega tlaka in visoke temperature (HPHT). S to metodo se ustvari potreben procesni tlak več deset tisoč atmosfer in temperature več kot 2000 K za proizvodnjo glavnega dela svetovne oskrbe z industrijskimi diamanti. Za pretvorbo grafita v diamant so na splošno potrebni visoki tlaki in visoke temperature, katalizatorji pa se uporabljajo za povečanje donosa diamanta.
Te zahteve, potrebne za preoblikovanje, je mogoče zelo učinkovito ustvariti z uporabo ultrazvok visoke moči (= nizkofrekvenčni, visoko intenzivni ultrazvok):
Ultrazvočna kavitacija
Ultrazvok v tekočinah povzroča lokalno zelo ekstremne učinke. Pri ultrazvočnih tekočinah pri visokih intenzivnostih zvočni valovi, ki se širijo v tekoče medije, povzročijo izmenične cikle visokega tlaka (stiskanje) in nizkega tlaka (redčenje), s hitrostmi, ki so odvisne od frekvence. Med nizkotlačnim ciklom ultrazvočni valovi visoke intenzivnosti ustvarjajo majhne vakuumske mehurčke ali praznine v tekočini. Ko mehurčki dosežejo prostornino, pri kateri ne morejo več absorbirati energije, se med ciklom visokega tlaka silovito zrušijo. Ta pojav se imenuje Kavitacija. Med implozijo se lokalno dosežejo zelo visoke temperature (približno 5.000 K) in tlaki (približno 2.000 atm). Implozija kavitacijskega mehurčka povzroči tudi tekoče curke s hitrostjo do 280 m / s. (Suslick 1998) Očitno je, da mikro- in nanokristalna Diamanti se lahko sintetizirajo na področju ultrazvočnih Kavitacija.
Ultrazvočni postopek za sintezo nanodiamantov
(2008) kaže, da se lahko diamantni mikrokristali sintetizirajo tudi z ultrazvokom suspenzije grafita v organski tekočini pri atmosferskem tlaku in sobni temperaturi. Kot kavitacijska tekočina je bila izbrana formula aromatskih oligomerov zaradi nizkega tlaka nasičenih par in visoke vrelišča. V tej tekočini je poseben čisti grafitni prah – z delci v območju med 100-200 μm – je suspendiran. V poskusih Kachatryan et al. je bilo razmerje med trdno in tekočino 1:6, gostota kavitacijske tekočine pa 1,1 g cm-3 pri 25 °C. Največja ultrazvočna intenzivnost v sonoreaktorju je bila 75-80W cm-2 ustreza amplitudi zvočnega tlaka 15-16 barov.
Dosežena je bila približno 10-odstotna pretvorba grafita v diamant. Diamanti so bili skoraj mono-dispergirani z zelo ostro, dobro zasnovano velikostjo v območju od 6 ali 9 μm ± 0,5 μm, s kubičnimi, Kristalni morfologija in visoka čistost.

SEM posnetki ultrazvočno sintetiziranih diamantov: slike (a) in (b) prikazujejo vzorčno serijo 1, (c) in (d) vzorčno serijo 2. [Khachatryan et al. 2008]
T Stroški mikro- in nanodiamantov, proizvedenih s to metodo, se ocenjuje, da je Konkurenčno s postopkom visokega tlaka in visoke temperature (HPHT). Zaradi tega je ultrazvok inovativna alternativa za sintezo mikro- in nano-diamantov (Khachatryan et al. 2008), še posebej, ker je proizvodni proces nanodiamantov mogoče optimizirati z nadaljnjimi raziskavami. Številne parametre, kot so amplituda, tlak, temperatura, kavitacijska tekočina in koncentracija, je treba natančno preučiti, da bi odkrili sladko točko ultrazvočne sinteze nanodiamantov.
Z rezultati, doseženimi pri sintezi nanodiamantov, nadalje ultrazvočno generiranih Kavitacija ponuja potencial za sintezo drugih pomembnih spojin, kot so kubični borov nitrid, ogljikov nitrid itd. (Khachatryan et al. 2008)
Poleg tega se zdi, da je mogoče ustvariti diamantne nanožice in nanopalice iz večstenskih ogljikovih nanocevk (MWCNT) pod ultrazvočnim obsevanjem. Diamantne nanožice so enodimenzionalni analogi razsutega diamanta. Zaradi visokega modula elastičnosti, razmerja med trdnostjo in težo ter relativne enostavnosti, s katero je mogoče funkcionalizirati njegove površine, je bilo ugotovljeno, da je diamant optimalen material za nanomehanske modele. (Sun et al. 2004)
Ultrazvočna disperzija nanodiamantov
Kot je bilo že opisano, sta deaglomeracija in enakomerna porazdelitev velikosti delcev v mediju bistvenega pomena za uspešno izkoriščanje edinstvenih lastnosti nanodiamantov.
disperzija in Deaglomeracija z ultrazvokom so posledica ultrazvočne Kavitacija. Pri izpostavljanju tekočin ultrazvoku zvočni valovi, ki se širijo v tekočino, povzročijo izmenične visokotlačne in nizkotlačne cikle. To povzroča mehansko obremenitev vlečnih sil med posameznimi delci. Ultrazvočna kavitacija v tekočinah povzroča visoke hitrosti tekočih curkov do 1000 km / h (približno 600 mph). Takšni curki stisnejo tekočino pod visokim tlakom med delci in jih ločijo drug od drugega. Manjši delci se pospešijo s tekočimi curki in trčijo pri visokih hitrostih. Zaradi tega je ultrazvok učinkovito sredstvo za razprševanje, pa tudi za Rezkanje delcev velikosti mikronov in submikronov.
Na primer, nanodiamanti (povprečna velikost približno 4 nm) in polistiren se lahko razpršijo v cikloheksanu, da dobimo poseben kompozit. (2010) so pripravili kompozite polistirena in nanodiamantov, ki vsebujejo nanodiamante v razponu med 0 in 25% teže. Za pridobitev enakomernega disperzija, so raztopino 60 minut sonizirali s Hielscherjevim UIP1000hd (1 kW).
Ultrazvočno podprta funkcionalizacija nanodiamantov
Za funkcionalizacijo celotne površine vsakega nanodelca mora biti površina delca na voljo za kemijsko reakcijo. To pomeni, da je potrebna enakomerna in fina disperzija, saj so dobro razpršeni delci obdani z mejno plastjo molekul, ki jih privlači površina delcev. Da bi na površino nanodiamantov prišli nove funkcionalne skupine, je treba to mejno plast zlomiti ali odstraniti. Ta proces prekinitve in odstranitve mejne plasti se lahko izvede z ultrazvokom.
Ultrazvok, vnesen v tekočino, povzroča različne ekstremne učinke, kot so Kavitacija, lokalno zelo visoka temperatura do 2000 K in tekoči curki do 1000 km/h. (Suslick 1998) S temi stresnimi dejavniki se lahko premagajo privlačne sile (npr. Van-der-Waalsove sile) in funkcionalne molekule se prenesejo na površino delca, da se funkcionalizirajo, npr. površina nanodiamantov.
Poskusi z obdelavo s pomočjo sonične dezintegracije (BASD) so pokazali obetavne rezultate tudi za površinsko funkcijo nanodiamantov. Pri tem so bile kroglice (npr. keramične kroglice mikro velikosti, kot so kroglice ZrO2) uporabljene za uveljavljanje ultrazvočne kavitacijska sile na nanodiamantne delce. Deaglomeracija nastane zaradi interspecifičnega trka med nanodiamantnimi delci in ZrO2 Kroglice.
Zaradi boljše razpoložljivosti površine delcev je za kemijske reakcije, kot so Boranova redukcija, arilacija ali silanizacija, zelo priporočljiva ultrazvočna ali BASD (zvočna dezintegracija s pomočjo kroglic) za disperzijo. Z ultrazvočnim Razpršitvijo in Deaglomeracija Kemična reakcija lahko poteka veliko bolj popolno.
Kontaktirajte nas! / Vprašajte nas!
Literatura/Reference
- Khachatryan, A. Kh. et al.: Transformacija grafita v diamant, ki jo povzroča ultrazvočna kavitacija. V: Diamant & Sorodni materiali 17, 2008; Strani 931-936.
- Galimov, Erik & Kudin, A. & Skorobogatskii, V. & Plotnichenko, V. & Bondarev, O. & Zarubin, roj. & Strazdovskii, V. & Aronin, Aleksander & Fisenko, A. & Bykov, I. & Barinov, A.. (2004): Eksperimentalna potrditev sinteze diamanta v procesu kavitacije. Fizika Doklady – DOKL PHYS. 49. 150-153.
- Turcheniuk, K., Trecazzi, C., Deeleepojananan, C., & Mochalin, V. N. (2016): Ultrazvočna deagregacija nanodiamantov s pomočjo soli. Uporabljeni materiali ACS & Vmesniki, 8(38), 25461–25468.
- Basma H. Al-Tamimi, Iman I. Jabbar, Haitham M. Al-Tamimi (2919): Sinteza in karakterizacija nanokristalnega diamanta iz grafitnih kosmičev s postopkom, ki ga spodbuja kavitacija. Heliyon, letnik 5, številka 5. 2019.
- Krueger, A.: Struktura in reaktivnost diamanta v nanomerilu. V: J Mater Chem 18, 2008; Strani 1485-1492.
- Liang, Y.: Deagglomerierung und Oberflächenfunktionalisierung von Nanodiamant mittels thermochemischer und mechanochemischer Methoden. Disertacija Julius-Maximilian-Universität Würzburg 2011.
- Osawa, E.: Monodisperzni enojni nanodiamantni delci. V: Pure Appl Chem 80/7, 2008; Strani 1365-1379.
- Pramatarova, L. et al.: Prednost polimernih kompozitov z detonacijskimi nanodiamantnimi delci za medicinsko uporabo. V: O biomimetiki; Strani 298-320.
- Sonce, L.; Gong, J.; Zhu, D.; Zhu, Z.; On, S.: Diamantne nanopalice iz ogljikovih nanocevk. V: Napredni materiali 16/2004. Strani 1849-1853.
- Suslick, K.S.: Kirk-Othmerjeva enciklopedija kemijske tehnologije. 4. izdaja J. Wiley & Sinovi: New York; 26, 1998; Strani 517-541.
- Chipara, A. C. et al.: Toplotne lastnosti nanodiamantnih delcev, razpršenih v polistirenu. HESTEC 2010.
- El-Say, K. M.: Nanodiamanti kot sistem za dostavo zdravil: uporaba in perspektiva. V zadevi J Appl Pharm Sci 01/06, 2011; Strani 29-39.
nanodiamanti – Uporaba in aplikacije
Nanodiamantna zrna so nestabilna zaradi svojega zeta potenciala. S tem se zelo nagibajo k tvorbi agregatov. Pogosta uporaba nanodiamantov je uporaba v abrazivih, orodjih za rezanje in poliranje ter hladilnih sistemih. Druga možna uporaba je uporaba nanodiamantov kot nosilca zdravil za farmacevtske aktivne sestavine (prim. Pramatarova). Avtor ultrazvočno razglašenje, prvič, nanodiamante je mogoče sintetizirati iz grafita, in drugič, nanodiamanti, ki močno nagnjeni k aglomeraciji, so lahko enakomerni Razpršene v tekoče medije (npr. za oblikovanje sredstva za poliranje).