Ултразвучна синтеза нанодијаманата

Од графита до дијаманта: ултразвук велике снаге нуди обећавајући пут за синтезу микрокристалних и нанокристалних дијаманата на собној температури и при атмосферском притиску. Интензивна акустична кавитација омогућава стварање дијаманата у суспензијама графита у органским течностима. Поред синтезе, ултразвучна обрада омогућава ефикасно дисперговање, деагломерацију и функционализацију добијених нанодијаманата – што је чини свестраним алатом како за производњу тако и за накнадну обраду.

Ултразвук за обраду нанодијаманата

Нанодијаманти (који се називају и детонациони дијаманти (DND) или ултрадисперзни дијаманти (UDD)) представљају посебан облик угљеничних наноматеријала који се одликује јединственим карактеристикама – као што су структура кристалне решетке, велика површина, као и јединствена оптичка и магнетна својства – и изузетним функционалностима. Својства ултрадисперзних честица чине ове материјале иновативним једињењима за стварање нових материјала са изванредним функцијама. Величина дијамантских честица у чађи износи око 5nm.

Под дејством интензивних сила, попут оних при соникацији или детонацији, графит се може претворити у дијамант.

Ултразвучно синтетисани нанодијаманти

Синтеза дијаманата представља важну област истраживања са становишта научних и комерцијалних интереса. Уобичајени поступак за синтезу микрокристалних и нанокристалних дијамантских честица јесте техника високог притиска и високе температуре (HPHT). Овом методом стварају се потребан процесни притисак од више десетина хиљада атмосфера и температуре веће од 2000K како би се произвео највећи део светске понуде индустријских дијаманата. За претварање графита у дијамант углавном су потребни високи притисци и високе температуре, а катализатори се користе за повећање приноса дијаманата.
Ови услови неопходни за претварање могу се веома ефикасно постићи применом ултразвука велике снаге (= ултразвук ниске фреквенције и високог интензитета):

Ултразвучна кавитација

Ултразвук у течностима локално изазива веома екстремне ефекте. При соникацији течности високим интензитетима, звучни таласи који се простиру кроз течну средину доводе до наизменичних циклуса високог притиска (компресије) и ниског притиска (разређивања), чија учесталост зависи од фреквенције. Током циклуса ниског притиска, ултразвучни таласи високог интензитета стварају мале вакуумске мехуриће или шупљине у течности. Када мехурићи достигну запремину при којој више не могу да апсорбују енергију, нагло колабирају током циклуса високог притиска. Ова појава назива се кавитација. Током имплозије локално се достижу веома високе температуре (приближно 5.000K) и притисци (приближно 2.000atm). Имплозија кавитационог мехурића такође ствара млазеве течности брзине до 280m/s. (Suslick 1998) Очигледно је да се микрокристални и нанокристални дијаманти могу синтетисати у пољу ултразвучне кавитације.

Ултразвучни поступак за синтезу нанодијаманата

Заправо, студија Khachatryan et al. (2008) показује да се микрокристали дијаманта могу синтетисати и ултразвучном обрадом суспензије графита у органској течности при атмосферском притиску и собној температури. Као кавитациона течност изабрана је формулација ароматичних олигомера због ниског притиска засићене паре и високе температуре кључања. У овој течности суспендован је специјални прах чистог графита – са честицама величине у опсегу 100–200 µm. У експериментима Kachatryan et al., масени однос чврсте фазе и течности износио је 1:6, а густина кавитационе течности била је 1,1g cm^-3 при 25°C. Максимални интензитет ултразвука у сонореактору износио је 75–80W cm^-2 што одговара амплитуди звучног притиска од 15–16 bar.
Постигнута је конверзија графита у дијамант од приближно 10%. Дијаманти су били готово монодисперзни са веома уском, добро дефинисаном величином у распону од 6 или 9μm ± 0,5μm, са кубном, кристалном морфологијом и високом чистоћом.

SEM снимци ултразвучно синтетисаних дијаманата: слике (a) и (b) приказују серију узорака 1, а (c) и (d) серију узорака 2. [Khachatryan et al. 2008]

Ови Трошкови производње микро- и нанодијаманата овом методом процењују се као конкурентни у односу на поступак под високим притиском и на високој температури (HPHT). То чини ултразвук иновативном алтернативом за синтезу микро- и нанодијаманата (Khachatryan et al. 2008), посебно зато што се процес производње нанодијаманата може оптимизовати даљим истраживањима. Многи параметри, као што су амплитуда, притисак, температура, кавитациона течност и концентрација, морају се прецизно испитати како би се пронашли оптимални услови за ултразвучну синтезу нанодијаманата.
На основу резултата постигнутих у синтези нанодијаманата, ултразвучно генерисана кавитација такође нуди потенцијал за синтезу других важних једињења, као што су кубни бор-нитрид, угљеник-нитрид итд. (Khachatryan et al. 2008)
Поред тога, чини се да је могуће добити дијамантске наножице и наноштапиће од вишезидних угљеничних наноцеви (MWCNTs) под дејством ултразвука. Дијамантске наножице су једнодимензионални аналози масивног дијаманта. Због високог модула еластичности, односа чврстоће и тежине и релативне лакоће са којом се његове површине могу функционализовати, утврђено је да је дијамант оптималан материјал за наномеханичке конструкције.  (Sun et al. 2004)

Ултразвучно дисперговање нанодијаманата

Као што је већ описано, деагломерација и равномерна расподела величине честица у медијуму неопходне су за успешно искоришћавање јединствених својстава нанодијаманата.
Дисперговање и деагломерација помоћу ултразвука резултат су ултразвучне кавитације. При излагању течности ултразвуку, звучни таласи који се простиру кроз течност доводе до наизменичних циклуса високог и ниског притиска. То ствара механичко напрезање које делује на привлачне силе између појединачних честица. Ултразвучна кавитација у течностима ствара млазеве течности великих брзина, до 1000km/hr (приближно 600mph). Такви млазеви потискују течност под високим притиском између честица и раздвајају их. Мање честице се убрзавају млазевима течности и сударају при великим брзинама. То чини ултразвук ефикасним средством за дисперговање, али и за млевење честица микронских и субмикронских величина.
На пример, нанодијаманти (просечне величине око 4nm) и полистирен могу се дисперговати у циклохексану како би се добио посебан композит. У својој студији, Chipara et al. (2010) припремили су композите полистирена и нанодијаманата са масеним уделом нанодијаманата у распону од 0 до 25%. Да би добили равномерну дисперзију, обрађивали су раствор ултразвуком током 60 min помоћу снажног Hielscher соникатора модела UIP1000hd од 1000 вати.
Сазнајте више о ултразвучној деагрегацији нанодијаманата!

Функционализација нанодијаманата потпомогнута ултразвуком

За функционализацију целокупне површине сваке наночестице, 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 које привлачи површина честице. Да би се нове функционалне групе довеле на површину нанодијаманата, овај гранични слој мора се разбити или уклонити. Овај процес разбијања и уклањања граничног слоја може се спровести помоћу ултразвука.
Ултразвук уведен у течност изазива различите екстремне ефекте као што су кавитација, локално веома висока температура до 2000K и млазеви течности брзине до 1000km/hr. (Suslick 1998) Ови фактори напрезања могу савладати привлачне силе (нпр. Ван дер Валсове силе), а функционални молекули се доводе на површину честице ради функционализације, на пример, површине нанодијаманата.

Шема 1: Графички приказ деагломерације in situ и површинске функционализације нанодијаманата (Liang 2011)

Експерименти са третманом звучном дезинтеграцијом уз помоћ куглица (BASD) показали су обећавајуће резултате и за површинску функционализацију нанодијаманата. Притом су куглице (нпр. керамичке куглице микрометарске величине, као што су куглице ZrO2) коришћене да појачају дејство ултразвучне кавитационе силе на честице нанодијаманата. Деагломерација настаје услед међучестичних судара између честица нанодијаманата и ZrO₂ куглица.
Због боље доступности површине честица, за хемијске реакције као што су редукција бораном, арилација или силанизација, изричито се препоручује ултразвучни предтретман или BASD предтретман (звучна дезинтеграција уз помоћ куглица) ради дисперговања. Ултразвучним дисперговањем и деагломерацијом хемијска реакција може да се одвија знатно потпуније.