Ultraljud syntes av nanodiamanter

• På grund av dess intensiva kavitationskraft är power ultrasound en lovande teknik för att producera diamanter i mikron- och nanostorlek från grafit.
• Mikro- och nanokristallina diamanter kan syntetiseras genom att songera en suspension av grafit i organisk vätska vid atmosfärstryck och rumstemperatur.
• Ultraljud är också ett användbart verktyg för efterbehandling av de syntetiserade nano diamanter, eftersom ultraljud dispergerar, deagglomererar och funktionaliserar nanopartiklar mycket effektivt.

Ultraljud för nanodiamantbehandling

Nanodiamanter (även kallade detonationsdiamanter (DND) eller ultradispergerade diamanter (UDD)) är en speciell form av kolnanomaterial som kännetecknas av unika egenskaper – såsom dess Galler struktur, dess stora yta, samt unika optisk och magnetisk egenskaper – och exceptionella användningsområden. Egenskaperna hos ultradispergerade partiklar gör dessa material till innovativa föreningar för att skapa nya material med extraordinära funktioner. Storleken på diamantpartiklarna i sotet är ca 5nm.

Under intensiva krafter, såsom ultraljudsbehandling eller detonation, kan grafit omvandlas till diamant.

Ultraljudssyntetiserade nanodiamanter

Syntes av diamanter är ett viktigt forskningsområde när det gäller vetenskapliga och kommersiella intressen. Den vanligaste processen för syntes av mikrokristallina och nanokristallina diamantpartiklar är HPHT-tekniken (High-Pressure-High-Temperature). Med denna metod genereras det nödvändiga processtrycket för tiotusentals atmosfärer och temperaturer på mer än 2000K för att producera huvuddelen av den globala försörjningen av industriell diamant. För omvandling av grafit till diamant krävs i allmänhet höga tryck och höga temperaturer, och katalysatorer används för att öka utbytet av diamant.
Dessa krav som behövs för omvandling kan genereras på ett mycket effektivt sätt med hjälp av Ultraljud med hög effekt (= ultraljud med låg frekvens och hög intensitet):

ultraljud kavitation

Ultraljud i vätskor orsakar lokalt mycket extrema effekter. Vid ultraljudsbehandling av vätskor vid höga intensiteter, ljudvågorna som fortplantar sig in i det flytande mediet resulterar i alternerande högtryckscykler (kompression) och lågtryck (sällsynthet), med hastigheter beroende på frekvensen. Under lågtryckscykeln skapar högintensiva ultraljudsvågor små vakuumbubblor eller hålrum i vätskan. När bubblorna når en volym där de inte längre kan absorbera energi, kollapsar de våldsamt under en högtryckscykel. Detta fenomen kallas Kavitation. Under implosionen uppnås mycket höga temperaturer (ca 5 000 K) och tryck (ca 2 000 atm) lokalt. Implosionen av kavitationsbubblan resulterar också i vätskestrålar med en hastighet på upp till 280 m/s. (Suslick 1998) Det är uppenbart att mikro- och nano-kristallina Diamanter kan syntetiseras inom ultraljudsområdet Kavitation.

Ultraljudsförfarande för syntes av nanodiamanter

De facto visar studien av Khachatryan et al. (2008) att diamantmikrokristaller också kan syntetiseras genom ultraljud av en suspension av grafit i organisk vätska vid atmosfärstryck och rumstemperatur. Som kavitationsvätska har en formel av aromatiska oligomerer valts på grund av dess låga mättade ångtryck och dess höga koktemperatur. I denna vätska, det speciella rena grafitpulvret – med partiklar i intervallet 100–200 μm – har suspenderats. I experimenten av Kachatryan et al. var viktförhållandet mellan fast ämne och vätska 1:6, kavitationsvätskans densitet var 1,1 g cm^-3 vid 25°C. Den maximala ultraljudsintensiteten i sonoretorn har varit 75-80W cm^-2 motsvarande en ljudtrycksamplitud på 15–16 bar.
Det har uppnåtts en konvertering på cirka 10 % grafit-till-diamant. Diamanterna var nästan mono-dispergerad med en mycket skarp, väl utformad storlek i intervallet 6 eller 9 μm ± 0,5 μm, med kubisk, kristallin morfologi och Hög renhet.

SEM-bilder av de ultraljudssyntetiserade diamanterna: bilderna (a) och (b) visar provserien 1, (c) och (d) provserien 2. [Khachatryan et al. 2008]

Den Kostnader mikro- och nanodiamanter som produceras med denna metod uppskattas till konkurrenskraftig med HPHT-processen (High-Pressure-High-Temperature). Detta gör ultraljud till ett innovativt alternativ för syntes av mikro- och nanodiamanter (Khachatryan et al. 2008), särskilt eftersom produktionsprocessen för nanodiamanter kan optimeras genom ytterligare undersökningar. Många parametrar såsom amplitud, tryck, temperatur, kavitationsvätska och koncentration måste undersökas noggrant för att upptäcka sweet spot av ultraljud nanodiamantsyntes.
Genom de resultat som uppnås vid syntes av nanodiamanter, ytterligare ultraljudsgenererade Kavitation erbjuder potential för syntes av andra viktiga föreningar, såsom kubisk bornitrid, kolnitrid etc. (Khachatryan et al. 2008)
Vidare verkar det vara möjligt att skapa diamantnanotrådar och nanostavar från flerväggiga kolnanorör (MWCNT) under ultraljudsbestrålning. Diamantnanotrådar är endimensionella analoger av bulkdiamant. På grund av dess höga elasticitetsmodul, förhållande mellan styrka och vikt och den relativa lättheten med vilken dess ytor kan funktionaliseras har diamant visat sig vara det optimala materialet för nanomekaniska konstruktioner. (Sun et al. 2004)

Ultraljudsdispersion av nanodiamanter

Som redan beskrivits är deagglomerationen och den jämna partikelstorleksfördelningen i mediet avgörande för ett framgångsrikt utnyttjande av nanodiamanters unika egenskaper.
spridning och deagglomeration genom ultraljud är ett resultat av ultraljud Kavitation. När vätskor utsätts för ultraljud resulterar ljudvågorna som fortplantar sig i vätskan i omväxlande högtrycks- och lågtryckscykler. Detta innebär mekanisk påfrestning på attraktionskrafterna mellan de enskilda partiklarna. Ultraljudskavitation i vätskor orsakar höghastighetsvätskestrålar på upp till 1000 km/h (ca 600mph). Sådana strålar pressar vätska under högt tryck mellan partiklarna och separerar dem från varandra. Mindre partiklar accelereras med vätskestrålarna och kolliderar i höga hastigheter. Detta gör ultraljud till ett effektivt medel för dispergering men också för fräsning partiklar av mikrometer och mindre mikrometer.
Till exempel kan nanodiamanter (genomsnittlig storlek på cirka 4 nm) och polystyren dispergeras i cyklohexan för att få en speciell komposit. I sin studie har Chipara et al. (2010) framställt kompositer av polystyren och nanodiamanter, innehållande nanodiamanter i ett intervall mellan 0 och 25% vikt. För att få en jämn spridning, de sonikerade lösningen i 60 minuter med Hielschers UIP1000hd (1 kW).

Ultraljudsassisterad funktionalisering av nanodiamanter

För funktionalisering av den fullständiga ytan av varje nanopartikel måste partikelns yta vara tillgänglig för kemisk reaktion. Detta innebär att det krävs en jämn och fin dispersion eftersom de väldispergerade partiklarna omges av ett gränsskikt av molekyler som attraheras till partikelytan. För att få nya funktionella grupper till nanodiamanternas yta måste detta gränsskikt brytas eller tas bort. Denna process för brytning och avlägsnande av gränsskiktet kan utföras med ultraljud.
Ultraljud som förs in i vätska genererar olika extrema effekter som t.ex. Kavitation, lokalt mycket höga temperaturer upp till 2000K och vätskestrålar på upp till 1000 km/h. (Suslick 1998) Genom dessa stressfaktorer kan de attraherande krafterna (t.ex. Van-der-Waals-krafter) övervinnas och de funktionella molekylerna transporteras till partikelns yta för att funktionalisera, t.ex. nanodiamanters yta.

Schema 1: Grafik över in situ-deagglomeration och ytfunktionalisering av nanodiamanter (Liang 2011)

Experiment med Bead-Assisted Sonic Disintegration (BASD) behandling har visat lovande resultat för ytfunktionalisering av nanodiamanter också. Därigenom har pärlor (t.ex. mikrostora keramiska pärlor som ZrO2-pärlor) använts för att förstärka ultraljudet kavitationell på nanodiamantpartiklarna. Deagglomerationen sker på grund av den interpartikulära kollisionen mellan nanodiamantpartiklarna och ZrO₂ Pärlor.
På grund av den bättre tillgängligheten av partiklarnas yta, för kemiska reaktioner som Boran-reduktion, arylering eller silanisering, rekommenderas starkt en ultraljuds- eller BASD-förbehandling (bead-assisted sonic disintegration) för dispergeringsändamål. Med ultraljud Spridning och deagglomeration Den kemiska reaktionen kan fortsätta mycket mer fullständigt.