Sinteza ultrasonike e nanodiamanteve

Nga grafiti te diamanti: ultratingulli me fuqi të lartë ofron një rrugë premtuese për sintezën e diamanteve mikrokristalore dhe nanokristalore në temperaturë dhome dhe presion atmosferik. Kavitacioni akustik intensiv mundëson formimin e diamantit në suspensione grafiti në lëngje organike. Përveç sintezës, trajtimi me ultratinguj mbështet dispergimin, deaglomerimin dhe funksionalizimin efektiv të nanodiamanteve të përftuara – duke e bërë atë një mjet të gjithanshëm si për prodhimin, ashtu edhe për përpunimin e mëtejshëm.

Ultratingujt për përpunimin e nanodiamanteve

Nanodiamantet (të quajtura edhe diamante detonacioni (DND) ose diamante të ultradisperguara (UDD)) janë një formë e veçantë e nanomaterialeve të karbonit, që dallohen për karakteristika unike – si struktura e tyre e rrjetës kristalore, sipërfaqja e tyre e madhe, si dhe vetitë unike optike dhe magnetike – dhe funksionalitete të jashtëzakonshme. Vetitë e grimcave të ultradisperguara i bëjnë këto materiale përbërje novatore për krijimin e materialeve të reja me funksione të jashtëzakonshme. Madhësia e grimcave të diamantit në blozë është rreth 5nm.

Nën veprimin e forcave intensive, si ato të trajtimit me ultratinguj ose të detonacionit, grafiti mund të shndërrohet në diamant.

Nanodiamante të sintetizuara me ultratinguj

Sinteza e diamanteve është një fushë e rëndësishme kërkimore nga pikëpamja e interesave shkencore dhe tregtare. Procesi që përdoret zakonisht për sintezën e grimcave të diamantit mikrokristalor dhe nanokristalor është teknika me presion të lartë dhe temperaturë të lartë (HPHT). Me këtë metodë krijohen presioni i nevojshëm i procesit prej dhjetëra mijëra atmosferash dhe temperatura mbi 2000K për të prodhuar pjesën kryesore të furnizimit botëror me diamant industrial. Për shndërrimin e grafitit në diamant, përgjithësisht nevojiten presione dhe temperatura të larta, ndërsa katalizatorët përdoren për të rritur rendimentin e diamantit.
Këto kushte të nevojshme për shndërrimin mund të krijohen me shumë efikasitet nëpërmjet përdorimit të ultratingullit me fuqi të lartë (= ultratingull me frekuencë të ulët dhe intensitet të lartë):

Kavitacioni ultrasonik

Ultratingulli në lëngje shkakton lokalisht efekte shumë ekstreme. Gjatë trajtimit të lëngjeve me ultratinguj me intensitete të larta, valët zanore që përhapen në mjediset e lëngshme krijojnë cikle të alternuara me presion të lartë (ngjeshje) dhe presion të ulët (rrallim), me ritme që varen nga frekuenca. Gjatë ciklit me presion të ulët, valët ultrasonike me intensitet të lartë krijojnë flluska të vogla vakumi ose zgavra në lëng. Kur flluskat arrijnë një vëllim në të cilin nuk mund të thithin më energji, ato shemben vrullshëm gjatë një cikli me presion të lartë. Ky fenomen quhet kavitacion. Gjatë implozionit arrihen lokalisht temperatura shumë të larta (rreth 5 000K) dhe presione shumë të larta (rreth 2 000atm). Implozioni i flluskës së kavitacionit krijon gjithashtu rryma lëngu me shpejtësi deri në 280m/s. (Suslick 1998) Është e qartë se diamantet mikro- dhe nanokristalore mund të sintetizohen në fushën e kavitacionit ultrasonik.

Në këtë video ju paraqesim një sistem tejzanor 2 kilovatësh për funksionim në linjë, të vendosur në një kabinet me shpëlarje me gaz. Hielscher furnizon pajisje tejzanore për pothuajse të gjithë sektorët industrialë, si industria kimike, farmaceutike dhe kozmetike, proceset petrokimike, si dhe proceset e ekstraktimit me tretës. Ky kabinet prej çeliku të pandryshkshëm me shpëlarje me gaz është projektuar për funksionim në zona të rrezikshme. Për këtë qëllim, klienti mund ta shpëlajë kabinetin hermetik me azot ose ajër të freskët, për të parandaluar hyrjen e gazeve ose avujve të ndezshëm në kabinet.

Procedura ultrasonike për sintezën e nanodiamanteve

Në fakt, studimi i Khachatryan et al. (2008) tregon se mikrokristalet e diamantit mund të sintetizohen edhe duke trajtuar me ultratinguj një suspension grafiti në një lëng organik, në presion atmosferik dhe temperaturë dhome. Si lëng kavitacioni është zgjedhur një formulim oligomerësh aromatikë për shkak të presionit të tij të ulët të avullit të ngopur dhe temperaturës së tij të lartë të vlimit. Në këtë lëng është pezulluar pluhuri i posaçëm i grafitit të pastër – me grimca në intervalin 100–200 µm. Në eksperimentet e Kachatryan et al., raporti në masë midis lëndës së ngurtë dhe lëngut ishte 1:6, ndërsa dendësia e lëngut të kavitacionit ishte 1,1g cm^-3 në 25°C. Intensiteti maksimal ultrasonik në reaktorin ultrasonik ishte 75–80W cm^-2 që i korrespondon një amplitude të presionit zanor prej 15–16 bar.
Është arritur një shndërrim prej afërsisht 10% i grafitit në diamant. Diamantet ishin pothuajse monodisperse me madhësi shumë të përcaktuar dhe të projektuar mirë në intervalin prej 6 ose 9μm ± 0,5μm, me morfologji kubike, kristalore dhe pastërti të lartë.

Diamante të sintetizuara me ultratinguj (imazhe SEM): Ultratingujt me fuqi të lartë sigurojnë energjinë e nevojshme për të nxitur sintezën e nanodiamanteve

Imazhe SEM të diamanteve të sintetizuara me ultratinguj: imazhet (a) dhe (b) tregojnë serinë 1 të mostrave, ndërsa (c) dhe (d) serinë 2 të mostrave. [Khachatryan et al. 2008]

Vlerësohet se kostot e mikrodiamanteve dhe nanodiamanteve të prodhuara me këtë metodë janë konkurruese krahasuar me procesin me presion të lartë dhe temperaturë të lartë (HPHT). Kjo i bën ultratingujt një alternativë novatore për sintezën e mikrodiamanteve dhe nanodiamanteve (Khachatryan et al. 2008), veçanërisht pasi procesi i prodhimit të nanodiamanteve mund të optimizohet përmes hulumtimeve të mëtejshme. Shumë parametra, si amplituda, presioni, temperatura, lëngu i kavitacionit dhe përqendrimi, duhet të shqyrtohen me saktësi për të zbuluar kushtet optimale për sintezën e nanodiamanteve me ultratinguj.
Duke u bazuar në rezultatet e arritura në sintezën e nanodiamanteve, edhe kavitacioni i gjeneruar me ultratinguj ofron potencial për sintezën e përbërjeve të tjera të rëndësishme, si nitruri kubik i borit, nitruri i karbonit etj. (Khachatryan et al. 2008)
Gjithashtu, duket se është e mundur të krijohen nanofije dhe nanoshufra diamanti nga nanotuba karboni me shumë mure (MWCNTs) nën rrezatim ultrasonik. Nanofijet e diamantit janë analoge njëpërmasore të diamantit masiv. Për shkak të modulit të tij të lartë të elasticitetit, raportit të rezistencës ndaj peshës dhe lehtësisë relative me të cilën mund të funksionalizohen sipërfaqet e tij, diamanti është konstatuar se është materiali optimal për struktura nanomekanike. (Sun et al. 2004)

Dispergimi i nanodiamanteve me ultratinguj

Siç është përshkruar tashmë, deaglomerimi dhe shpërndarja e njëtrajtshme e madhësisë së grimcave në mjedis janë thelbësore për shfrytëzimin me sukses të karakteristikave unike të nanodiamanteve.
Dispergimi dhe deaglomerimi me ultratinguj janë rezultat i kavitacionit ultrasonik. Kur lëngjet ekspozohen ndaj ultratingujve, valët zanore që përhapen në lëng shkaktojnë cikle të alternuara presioni të lartë dhe presioni të ulët. Kjo ushtron sforcim mekanik mbi forcat tërheqëse ndërmjet grimcave individuale. Kavitacioni ultrasonik në lëngje shkakton rryma lëngu me shpejtësi të lartë, deri në 1000km/hr (rreth 600mph). Këto rryma e shtyjnë lëngun me presion të lartë ndërmjet grimcave dhe i ndajnë ato nga njëra-tjetra. Grimcat më të vogla përshpejtohen nga rrymat e lëngut dhe përplasen me shpejtësi të larta. Kjo i bën ultratingujt një mjet efektiv për dispergimin, por edhe për bluarjen e grimcave me madhësi mikrometrike dhe nënmikrometrike.
Për shembull, nanodiamantet (me madhësi mesatare rreth 4nm) dhe polistireni mund të dispergohen në cikloheksan për të përftuar një kompozit të veçantë. Në studimin e tyre, Chipara et al. (2010) kanë përgatitur kompozite të polistirenit dhe nanodiamanteve, që përmbajnë nanodiamante në intervalin nga 0 deri në 25% në peshë. Për të përftuar një dispergim të njëtrajtshëm, ata e trajtuan tretësirën me ultratinguj për 60 min duke përdorur sonikatorin e fuqishëm Hielscher prej 1000 vatësh, modeli UIP1000hd.
Mësoni më shumë rreth deagregimit të nanodiamanteve me ultratinguj!

Funksionalizimi i nanodiamanteve i asistuar me ultratinguj

Për funksionalizimin e të gjithë sipërfaqes së çdo grimce me madhësi nanometrike, sipërfaqja e grimcës duhet të jetë e disponueshme për reaksion kimik. Kjo do të thotë se nevojitet një dispergim i njëtrajtshëm dhe i imët, pasi grimcat e disperguara mirë rrethohen nga një shtresë kufitare molekulash që tërhiqen drejt sipërfaqes së grimcës. Për të sjellë grupe të reja funksionale në sipërfaqen e nanodiamanteve, kjo shtresë kufitare duhet të prishet ose të hiqet. Ky proces i prishjes dhe heqjes së shtresës kufitare mund të kryhet me ultratinguj.
Ultratingujt e futur në lëng gjenerojnë efekte të ndryshme ekstreme, si kavitacioni, temperatura lokalisht shumë të larta deri në 2000K dhe rryma lëngu me shpejtësi deri në 1000km/hr. (Suslick 1998) Përmes këtyre faktorëve të sforcimit, forcat tërheqëse (p.sh. forcat Van-der-Waals) mund të kapërcehen dhe molekulat funksionale transportohen drejt sipërfaqes së grimcës për ta funksionalizuar atë, p.sh. sipërfaqen e nanodiamanteve.

Nën rrezatim të fuqishëm tejzanor (p.sh. me UIP2000hdT të Hielscher) bëhet e mundur që nanodiamantet të sintetizohen, të deaglomerohen dhe të funksionalizohen me efikasitet.

Skema 1: Paraqitje grafike e deaglomerimit in situ dhe funksionalizimit të sipërfaqes së nanodiamanteve (Liang 2011)

Eksperimentet me trajtimin e shpërbërjes sonike të asistuar nga rruazat (BASD) kanë treguar gjithashtu rezultate premtuese për funksionalizimin sipërfaqësor të nanodiamanteve. Për këtë qëllim, rruaza (p.sh. rruaza qeramike me përmasa mikrometrike, si rruazat ZrO2) janë përdorur për të përforcuar forcat ultrasonike të kavitacionit mbi grimcat e nanodiamantit. Deagglomerimi ndodh për shkak të përplasjes ndërmjet grimcave të nanodiamantit dhe rruazave ZrO₂ .
Për shkak të disponueshmërisë më të mirë të sipërfaqes së grimcave, për reaksione kimike si reduktimi me boran, arilimi ose silanizimi, rekomandohet fuqimisht një paratrajtim me ultratinguj ose BASD (shpërbërje sonike e asistuar nga rruazat) për qëllime dispergimi. Nëpërmjet dispergimit dhe deagglomerimit me ultratinguj, reaksioni kimik mund të zhvillohet në mënyrë shumë më të plotë.

Na kontaktoni! / Na pyesni!

Tema të lidhura

Literatura/Referencat

Khachatryan, A. Kh. et al.: Shndërrimi i grafitit në diamant i nxitur nga kavitacioni ultrasonik. Në: Diamond & Related Materials 17, 2008; pp931–936.
Galimov, Erik & Kudin, A. & Skorobogatskii, V. & Plotnichenko, V. & Bondarev, O. & Zarubin, B. & Strazdovskii, V. & Aronin, Alexandr & Fisenko, A. & Bykov, I. & Barinov, A.. (2004): Vërtetimi eksperimental i sintezës së diamantit në procesin e kavitacionit. Doklady Physics – DOKL PHYS. 49. 150–153.
Turcheniuk, K., Trecazzi, C., Deeleepojananan, C., & Mochalin, V. N. (2016): Deagregimi ultrasonik i nanodiamantit i asistuar nga kripa. ACS Applied Materials & Interfaces, 8(38), 25461–25468.
Basma H. Al-Tamimi, Iman I. Jabbar, Haitham M. Al-Tamimi (2919): Sinteza dhe karakterizimi i diamantit nanokristalor nga petëza grafiti nëpërmjet një procesi të nxitur nga kavitacioni. Heliyon, Vëllimi 5, Numri 5. 2019.
Krueger, A.: Struktura dhe reaktiviteti i diamantit në shkallë nanometrike. Në: J Mater Chem 18, 2008; pp. 1485–1492.
Liang, Y.: Deagglomerimi dhe funksionalizimi sipërfaqësor i nanodiamantit me metoda termokimike dhe mekanokimike. Disertacion, Julius-Maximilian-Universität Würzburg 2011.
Osawa, E.: Grimca individuale monodisperse të nanodiamantit. Në: Pure Appl Chem 80/7, 2008; pp. 1365–1379.
Pramatarova, L. et al.: Avantazhi i kompoziteve polimerike me grimca nanodiamanti të detonacionit për aplikime mjekësore. Në: On Biomimetics; pp. 298–320.
Sun, L.; Gong, J.; Zhu, D.; Zhu, Z.; He, S.: Nanoshufra diamanti nga nanotuba karboni. Në: Advanced Materials 16/2004. pp. 1849–1853.
Suslick, K.S.: Enciklopedia Kirk-Othmer e teknologjisë kimike. Botimi i 4-t. J. Wiley & Sons: New York; 26, 1998; pp. 517–541.
Chipara, A. C. et al.: Vetitë termike të grimcave të nanodiamantit të disperguara në polistiren. HESTEC 2010.
El-Say, K. M.: Nanodiamantet si sistem për shpërndarjen e barnave: Zbatimi dhe perspektiva. Në J Appl Pharm Sci 01/06, 2011; pp. 29–39.

Nanodiamantet – Përdorimi dhe aplikimet

Kokrrizat e nanodiamantit janë të paqëndrueshme për shkak të potencialit të tyre zeta. Për këtë arsye, ato kanë prirje të fortë për të formuar agregate. Një aplikim i zakonshëm i nanodiamanteve është përdorimi në materiale gërryese, vegla prerjeje dhe lustrimi dhe disipatorë nxehtësie. Një përdorim tjetër i mundshëm është aplikimi i nanodiamanteve si bartës barnash për përbërës farmaceutikë aktivë (shih Pramatarova). Nëpërmjet trajtimit me ultratinguj, së pari nanodiamantet mund të sintetizohen nga grafiti dhe së dyti, nanodiamantet që kanë prirje të fortë për aglomerim mund të dispergohen në mënyrë të njëtrajtshme në mjedise të lëngshme (p.sh. për të formuluar një agjent lustrimi).