Sinteza tejzanor e nanodiamantit

• Për shkak të forcës së tij intensive kavitacionale, ultratingulli i fuqisë është një teknikë premtuese për të prodhuar diamante me madhësi mikron dhe nano nga grafiti.
• Diamantet mikro dhe nano-kristaline mund të sintetizohen duke sonikuar një pezullim grafiti në lëng organik në presionin atmosferik dhe temperaturën e dhomës.
• Ultrasonik është gjithashtu një mjet i dobishëm për përpunimin e mëposhtëm të nano diamanteve të sintetizuara, pasi ultratingulli shpërndan, deaglomeron dhe funksionalizon grimcat nano shumë efektive.

Ultrasonikë për trajtimin e nanodiamantit

Nanodiamantet (të quajtura edhe diamante detonimi (DND) ose diamante ultrashpërndarëse (UDD)) janë një formë e veçantë e nanomaterialeve të karbonit që dallohen nga karakteristikat unike – si p.sh. grilë struktura, është e madhe sipërfaqe, si dhe unike optike dhe magnetike vetitë – dhe aplikacionet e jashtëzakonshme. Vetitë e grimcave ultra të shpërndara i bëjnë këto materiale komponime novatore për krijimin e materialeve të reja me funksione të jashtëzakonshme. Madhësia e grimcave të diamantit në blozë është rreth 5 nm.

Nën forca intensive, të tilla si sonikimi ose shpërthimi, grafiti mund të shndërrohet në diamant.

Nanodiamante të sintetizuara me ultratinguj

Sinteza e diamanteve është një fushë e rëndësishme kërkimore në lidhje me interesat shkencore dhe tregtare. Procesi i përdorur zakonisht për sintezën e grimcave të diamantit mikrokristalor dhe nanokristalor është teknika e presionit të lartë-temperaturës së lartë (HPHT). Me këtë metodë, gjenerohet presioni i kërkuar i procesit prej dhjetëra mijëra atmosferash dhe temperatura më shumë se 2000K për të prodhuar pjesën kryesore të furnizimit mbarëbotëror të diamantit industrial. Për shndërrimin e grafitit në diamant, në përgjithësi kërkohen presione të larta dhe temperatura të larta dhe përdoren katalizatorë për të rritur rendimentin e diamantit.
Këto kërkesa të nevojshme për transformim mund të gjenerohen në mënyrë shumë efikase duke përdorur ultratinguj me fuqi të lartë (= ultratinguj me frekuencë të ulët, me intensitet të lartë):

kavitacion tejzanor

Ultratingulli në lëngje shkakton efekte shumë ekstreme në nivel lokal. Gjatë sonikimit të lëngjeve me intensitet të lartë, valët e zërit që përhapen në median e lëngshme rezultojnë në cikle alternative të presionit të lartë (ngjeshje) dhe presionit të ulët (rrallimi), me shpejtësi në varësi të frekuencës. Gjatë ciklit të presionit të ulët, valët ultrasonike me intensitet të lartë krijojnë flluska të vogla vakumi ose zbrazëti në lëng. Kur flluskat arrijnë një vëllim në të cilin nuk mund të thithin më energji, ato shemben me dhunë gjatë një cikli me presion të lartë. Ky fenomen quhet kavitacion. Gjatë shpërthimit arrihen temperatura shumë të larta (rreth 5,000 K) dhe presione (rreth 2,000 atm). Shpërthimi i flluskës së kavitacionit rezulton gjithashtu në avionë të lëngshëm me shpejtësi deri në 280 m/s. (Suslick 1998) Është e qartë se mikro- dhe nano-kristalore diamantet mund të sintetizohen në fushën e ultrazërit kavitacion.

Procedura tejzanor për sintezën e nanodiamantit

De fakto, studimi i Khachatryan et al. (2008) tregon se mikrokristalet e diamantit mund të sintetizohen gjithashtu me anë të ultrazërit të një pezullimi grafiti në lëng organik në presionin atmosferik dhe temperaturën e dhomës. Si lëng kavitacioni, është zgjedhur një formulë e oligomerëve aromatikë për shkak të presionit të ulët të avullit të ngopur dhe temperaturës së lartë të vlimit. Në këtë lëng, pluhur i veçantë grafit i pastër – me grimca në intervalin midis 100-200 µm - është pezulluar. Në eksperimentet e Kachatryan et al., raporti i peshës së lëngut të ngurtë ishte 1:6, densiteti i lëngut të kavitacionit ishte 1.1 g cm^-3 në 25°C. Intensiteti maksimal i ultrazërit në soreaktor ka qenë 75-80 W cm^-2 që korrespondon me një amplitudë të presionit të zërit prej 15-16 bar.
Është arritur përafërsisht një konvertim prej 10% grafit në diamant. Diamantet ishin gati mono-shpërndarë me një madhësi shumë të mprehtë, të projektuar mirë në rangun prej 6 ose 9μm ± 0.5μm, me kub, kristalore morfologjinë dhe pastërti të lartë.

Imazhet SEM të diamanteve të sintetizuara në mënyrë ultrasonike: fotografitë (a) dhe (b) tregojnë serinë e mostrës 1, (c) dhe (d) serinë e mostrës 2. [Khachatryan et al. 2008]

Të shpenzimet i mikro- dhe nanodiamanteve të prodhuara me këtë metodë vlerësohet të jetë konkurrues me procesin e presionit të lartë-temperaturës së lartë (HPHT). Kjo e bën ultratingullin një alternativë novatore për sintezën e mikro- dhe nano-diamantit (Khachatryan et al. 2008), veçanërisht pasi procesi i prodhimit të nanodiamanteve mund të optimizohet nga hetime të mëtejshme. Shumë parametra të tillë si amplituda, presioni, temperatura, lëngu i kavitacionit dhe përqendrimi duhet të ekzaminohen me saktësi për të zbuluar pikën e ëmbël të sintezës së nanodiamantit tejzanor.
Nga rezultatet e arritura në sintetizimin e nanodiamanteve, të krijuara më tej në mënyrë ultrasonike kavitacion ofron potencialin për sintezën e komponimeve të tjera të rëndësishme, si nitridi kub i borit, nitridi i karbonit etj. (Khachatryan et al. 2008)
Më tej, duket se është e mundur të krijohen nanotela diamanti dhe nanoshkopia nga nanotuba karboni me shumë mure (MWCNTs) nën rrezatim ultrasonik. Nanotelat e diamantit janë analoge njëdimensionale të diamantit me shumicë. Për shkak të modulit të tij të lartë elastik, raportit të forcës ndaj peshës dhe lehtësisë relative me të cilën mund të funksionalizohen sipërfaqet e tij, diamanti është gjetur të jetë materiali optimal për dizajne nanomekanike. (Sun et al. 2004)

Shpërndarja me ultratinguj e nanodiamanteve

Siç është përshkruar tashmë, deagglomerimi dhe shpërndarja e barabartë e madhësisë së grimcave në mjedis janë thelbësore për shfrytëzimin e suksesshëm të karakteristikave unike të nanodiamanteve.
dispersion dhe deaglomerimi me ultratinguj janë rezultat i ultrazërit kavitacion. Kur ekspozohen lëngjet ndaj ultrazërit, valët e zërit që përhapen në lëng rezultojnë në cikle të alternuara të presionit të lartë dhe presionit të ulët. Kjo aplikon stres mekanik në forcat tërheqëse midis grimcave individuale. Kavitacioni tejzanor në lëngje shkakton avionë të lëngshëm me shpejtësi të lartë deri në 1000 km/orë (afërsisht 600 mph). Avionë të tillë shtypin lëngun në presion të lartë midis grimcave dhe i ndajnë ato nga njëra-tjetra. Grimcat më të vogla përshpejtohen me avionët e lëngshëm dhe përplasen me shpejtësi të lartë. Kjo e bën ultratingullin një mjet efektiv për shpërndarjen, por edhe për bluarje të grimcave me madhësi mikron dhe nën mikron.
Për shembull, nanodiamantet (madhësia mesatare prej rreth 4 nm) dhe polistireni mund të shpërndahen në cikloheksan për të marrë një përbërje të veçantë. Në studimin e tyre, Chipara et al. (2010) kanë përgatitur përbërje të polistirenit dhe nanodiamantit, që përmbajnë nanodiamante në një interval midis 0 dhe 25% të peshës. Për të marrë një të barabartë dispersion, ata sonikuan tretësirën për 60 min me Hielscher's UIP1000hd (1 kW).

Funksionalizimi i Nanodiamanteve me asistim tejzanor

Për funksionalizimin e sipërfaqes së plotë të secilës grimcë me madhësi nano, sipërfaqja e grimcave duhet të jetë e disponueshme për reaksion kimik. Kjo do të thotë se kërkohet një shpërndarje e barabartë dhe e imët pasi grimcat e shpërndara mirë rrethohen nga një shtresë kufitare molekulash të tërhequr nga sipërfaqja e grimcave. Për të futur grupe të reja funksionale në sipërfaqen e nanodiamantit, kjo shtresë kufitare duhet të thyhet ose hiqet. Ky proces i thyerjes dhe heqjes së shtresës kufitare mund të kryhet me ultratinguj.
Ultratingulli i futur në lëng gjeneron efekte të ndryshme ekstreme si p.sh kavitacion, në nivel lokal temperatura shumë të larta deri në 2000K dhe avionë të lëngshëm deri në 1000km/orë. (Suslick 1998) Nga këta faktorë stresi mund të kapërcehen forcat tërheqëse (p.sh. forcat Van-der-Waals) dhe molekulat funksionale barten në sipërfaqen e grimcave për t'u funksionalizuar, p.sh. sipërfaqja e nanodiamantit.

Skema 1: Grafika e deagglomerimit in situ dhe funksionalizimit sipërfaqësor të nanodiamanteve (Liang 2011)

Eksperimentet me trajtimin e zbërthimit të zërit me rruaza (BASD) kanë treguar rezultate premtuese edhe për funksionalizimin sipërfaqësor të nanodiamanteve. Në këtë mënyrë, rruaza (p.sh. rruaza qeramike me madhësi mikro si rruaza ZrO2) janë përdorur për të fuqizuar tejzanorin kavitacionale forcat mbi grimcat e nanodiamantit. Deagglomerimi ndodh për shkak të përplasjes ndërpartikulare midis grimcave të nanodiamantit dhe ZrO₂ rruaza.
Për shkak të disponueshmërisë më të mirë të sipërfaqes së grimcave, për reaksione kimike të tilla si reduktimi, arilimi ose silanizimi i Boranit, rekomandohet shumë një para-trajtim ultrasonik ose BASD (shpërbërja e zërit me ndihmën e rruazave) për qëllime shpërndarjeje. Me anë të ultrazërit Duke u shpërndarë dhe deaglomerimi reaksioni kimik mund të vazhdojë shumë më plotësisht.