Ултразвучна синтеза нанодијаманата

• Због своје интензивне кавитационе силе, моћни ултразвук је обећавајућа техника за производњу дијаманата микрона и нано величине од графита.
• Микро- и нано-кристални дијаманти могу се синтетизовати соникацијом суспензије графита у органској течности на атмосферском притиску и собној температури.
• Ултразвук је такође користан алат за накнадну обраду синтетизованих нано дијаманата, јер ултразвук веома ефикасно распршује, деагломерише и функционализује нано честице.

Ултразвук за лечење нанодијамантима

Нанодијаманти (који се називају и детонациони дијаманти (ДНД) или ултрадисперзни дијаманти (УДД)) су посебан облик угљеничних наноматеријала који се разликују по јединственим карактеристикама – као што је решетка структура, његова велика површине, као и јединствени оптички и магнетна својства – и изузетне примене. Својства ултрадисперзних честица чине ове материјале иновативним једињењима за стварање нових материјала са изванредним функцијама. Величина дијамантских честица у чађи је око 5 нм.

Под интензивним силама, као што су соникација или детонација, графит се може трансформисати у дијамант.

Ултразвучно синтетизовани нанодијаманти

Синтеза дијаманата је важно поље истраживања које се тиче научних и комерцијалних интереса. Уобичајени процес за синтезу микрокристалних и нанокристалних дијамантских честица је техника високог притиска и високе температуре (ХПХТ). Овом методом се стварају потребни процесни притисак од десетина хиљада атмосфера и температуре преко 2000К за производњу главног дела светске понуде индустријског дијаманта. За трансформацију графита у дијамант, генерално су потребни високи притисци и високе температуре, а катализатори се користе за повећање приноса дијаманта.
Ови захтеви потребни за трансформацију могу се веома ефикасно генерисати употребом ултразвук велике снаге (= ултразвук ниске фреквенције, високог интензитета):

ултразвучна кавитација

Ултразвук у течностима изазива локално веома екстремне ефекте. Када ултразвучно обрађујете течности високог интензитета, звучни таласи који се шире у течне медије резултирају наизменичним циклусима високог притиска (компресија) и ниског притиска (разређивање), са брзинама које зависе од фреквенције. Током циклуса ниског притиска, ултразвучни таласи високог интензитета стварају мале вакуумске мехуриће или празнине у течности. Када мехурићи достигну запремину при којој више не могу да апсорбују енергију, они се насилно срушавају током циклуса високог притиска. Овај феномен се назива кавитација. Током имплозије локално се постижу веома високе температуре (око 5.000 К) и притисци (приближно 2.000 атм). Имплозија кавитационог мехурића такође резултира млазовима течности брзине до 280м/с. (Суслицк 1998) Очигледно је да микро- и нано-кристални дијаманти се могу синтетизовати у области ултразвука кавитација.

Ултразвучни поступак за синтезу нанодијаманата

Де фацто, студија Кхацхатриан ет ал. (2008) показују да се микрокристали дијаманата могу синтетизовати и ултразвучном обрадом суспензије графита у органској течности на атмосферском притиску и собној температури. Као течност за кавитацију, формула ароматичних олигомера је изабрана због ниског притиска засићене паре и високе температуре кључања. У овој течности, посебан чисти графитни прах – са честицама у опсегу између 100-200 µм – суспендован. У експериментима Кацхатриан ет ал., однос чврстоће и течности је био 1:6, густина кавитационе течности је била 1,1 г цм^-3 на 25°Ц. Максимални ултразвучни интензитет у сонореактору је био 75-80В цм^-2 што одговара амплитуди звучног притиска од 15-16 бара.
Постигнуто је приближно 10% конверзије графита у дијамант. Дијаманти су били скоро једноструко распршени са веома оштром, добро дизајнираном величином у опсегу од 6 или 9 μм ± 0,5 μм, са кубичним, кристално морфологија и висока чистоћа.

СЕМ слике ултразвучно синтетизованих дијаманата: слике (а) и (б) приказују серију узорака 1, (ц) и (д) серију узорака 2. [Кхацхатриан ет ал. 2008]

Тхе трошкови микро- и нанодијаманата произведених овом методом процењује се да је такмичарски са процесом високог притиска-високе температуре (ХПХТ). Ово чини ултразвук иновативном алтернативом за синтезу микро- и нано-дијаманата (Кхацхатриан ет ал. 2008), посебно пошто се процес производње нанодијаманата може оптимизовати даљим истраживањима. Многи параметри као што су амплитуда, притисак, температура, кавитациона течност и концентрација морају се прецизно испитати да би се открила слатка тачка ултразвучне синтезе нанодијаманата.
По резултатима постигнутим у синтези нанодијаманата, даље ултразвучно генерисаних кавитација нуди потенцијал за синтезу других важних једињења, као што су кубни бор нитрид, угљен нитрид итд. (Кхацхатриан ет ал. 2008)
Даље, чини се да је могуће створити дијамантске наножице и наношипке од угљеничних наноцеви са више зидова (МВЦНТ) под ултразвучним зрачењем. Дијамантске наножице су једнодимензионални аналози дијаманта. Због свог високог модула еластичности, односа чврстоће и тежине и релативне лакоће са којом се његове површине могу функционализовати, дијамант се сматра оптималним материјалом за наномеханичке дизајне. (Сун ет ал. 2004)

Ултразвучно распршивање нанодијаманата

Као што је већ описано, деагломерација и равномерна дистрибуција величине честица у медијуму су неопходни за успешну експлоатацију јединствених карактеристика нанодијаманата.
дисперзија и деагломерација ултразвуком су резултат ултразвучног кавитација. Када се течности излажу ултразвуку, звучни таласи који се шире у течност доводе до наизменичних циклуса високог и ниског притиска. Ово примењује механички стрес на силе привлачења између појединачних честица. Ултразвучна кавитација у течностима изазива велике брзине млаза течности до 1000 км/х (приближно 600 мпх). Такви млазници притискају течност под високим притиском између честица и одвајају их једне од других. Мање честице се убрзавају са млазовима течности и сударају се при великим брзинама. Ово чини ултразвук ефикасним средством за распршивање, али и за глодање честица микронске и субмикронске величине.
На пример, нанодијаманти (просечне величине око 4нм) и полистирен могу да се распрше у циклохексану да би се добио посебан композит. У својој студији, Цхипара ет ал. (2010) су припремили композите од полистирена и нанодијаманата, који садрже нанодијаманте у опсегу између 0 и 25% тежине. Да бисте добили равномерно дисперзија, соникирали су раствор 60 минута са Хиелсцхеровим УИП1000хд (1кВ).

Ултразвучно потпомогнута функционализација нанодијаманата

За функционализацију комплетне површине сваке честице нано величине, површина честице мора бити доступна за хемијску реакцију. То значи да је потребна равномерна и фина дисперзија јер су добро дисперговане честице окружене граничним слојем молекула привучених површином честице. Да би се нове функционалне групе довеле до површине нанодијаманата, овај гранични слој мора бити сломљен или уклоњен. Овај процес ломљења и уклањања граничног слоја може се извести ултразвуком.
Ултразвук уведен у течност генерише разне екстремне ефекте као нпр кавитација, локално веома високе температуре до 2000К и млазнице течности до 1000км/х. (Суслицк 1998) Овим факторима напрезања силе привлачења (нпр. Ван-дер-Валсове силе) могу бити превазиђене и функционални молекули се преносе на површину честице да би се функционализовали, нпр. површине нанодијаманата.

Шема 1: Графички приказ ин ситу деагломерације и површинске функционализације нанодијаманата (Лианг 2011)

Експерименти са третманом звучне дезинтеграције уз помоћ куглица (БАСД) показали су обећавајуће резултате и за површинску функционализацију нанодијаманата. Због тога су перле (нпр. керамичке перле микро величине као што су перле ЗрО2) коришћене за појачавање ултразвучног кавитациони силе на честице нанодијаманта. До деагломерације долази услед интерпартикуларног судара између честица нанодијаманта и ЗрО₂ перле.
Због боље доступности површине честица, за хемијске реакције као што су Боран редукција, арилација или силанизација, ултразвучни или БАСД (беад-ассистед звучна дезинтеграција) предтретман у сврху дисперговања се веома препоручује. Ултразвучним Дисперсинг и деагломерација хемијска реакција може да тече много потпуније.