การสังเคราะห์อัลตราโซนิกของนาโนไดมอนด์

• เนื่องจากแรงโพรงอากาศที่รุนแรงอัลตราซาวนด์พลังงานจึงเป็นเทคนิคที่มีแนวโน้มในการผลิตเพชรขนาดไมครอนและนาโนจากกราไฟท์
• เพชรไมโครและนาโนคริสตัลไลน์สามารถสังเคราะห์สารแขวนลอยของกราไฟท์ในของเหลวอินทรีย์ที่ความดันบรรยากาศและอุณหภูมิห้อง
• อัลตราโซนิกยังเป็นเครื่องมือที่มีประโยชน์สําหรับการประมวลผลภายหลังของเพชรนาโนที่สังเคราะห์ได้เนื่องจากอัลตราโซนิกจะกระจายตัวแยกตัวและทํางานอนุภาคนาโนได้อย่างมีประสิทธิภาพมาก

อัลตราโซนิกสําหรับการรักษาด้วยนาโนไดมอนด์

นาโนไดมอนด์ (เรียกอีกอย่างว่าเพชรระเบิด (DND) หรือเพชรกระจายตัวเป็นพิเศษ (UDD)) เป็นวัสดุนาโนคาร์บอนรูปแบบพิเศษที่แตกต่างจากลักษณะเฉพาะ เช่น ตาข่าย โครงสร้างขนาดใหญ่ พื้นผิวและไม่เหมือนใคร ออปติคัล และ แม่ เหล็ก คุณสมบัติ – และการใช้งานที่ยอดเยี่ยม คุณสมบัติของอนุภาคที่กระจายตัวเป็นพิเศษทําให้วัสดุเหล่านี้เป็นสารประกอบที่เป็นนวัตกรรมใหม่สําหรับการสร้างวัสดุใหม่ที่มีฟังก์ชันพิเศษ ขนาดของอนุภาคเพชรในเขม่าอยู่ที่ประมาณ 5 นาโนเมตร

ภายใต้แรงที่รุนแรงเช่นการสะท้อนเสียงหรือการระเบิดกราไฟท์สามารถเปลี่ยนเป็นเพชรได้

นาโนไดมอนด์สังเคราะห์อัลตราโซนิก

การสังเคราะห์เพชรเป็นสาขาการวิจัยที่สําคัญเกี่ยวกับความสนใจทางวิทยาศาสตร์และเชิงพาณิชย์ กระบวนการที่ใช้กันทั่วไปสําหรับการสังเคราะห์อนุภาคเพชรไมโครคริสตัลไลน์และนาโนคริสตัลไลน์คือเทคนิคแรงดันสูง-อุณหภูมิสูง (HPHT) ด้วยวิธีนี้ ความดันในกระบวนการที่ต้องการของบรรยากาศหลายหมื่นบรรยากาศและอุณหภูมิมากกว่า 2,000K ถูกสร้างขึ้นเพื่อผลิตส่วนหลักของการจัดหาเพชรอุตสาหกรรมทั่วโลก สําหรับการเปลี่ยนกราไฟท์เป็นเพชรโดยทั่วไปจําเป็นต้องมีแรงดันสูงและอุณหภูมิสูงและใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาเพื่อเพิ่มผลผลิตของเพชร
ข้อกําหนดเหล่านี้ที่จําเป็นสําหรับการเปลี่ยนแปลงสามารถสร้างได้อย่างมีประสิทธิภาพโดยใช้ อัลตราซาวนด์กําลังสูง (= ความถี่ต่ํา อัลตราซาวนด์ความเข้มสูง):

โพรงอากาศอัลตราโซนิก

อัลตราซาวนด์ในของเหลวทําให้เกิดผลกระทบที่รุนแรงเฉพาะที่ เมื่อ sonicating ของเหลวที่มีความเข้มสูงคลื่นเสียงที่แพร่กระจายไปยังสื่อของเหลวจะส่งผลให้เกิดรอบความดันสูง (การบีบอัด) และความดันต่ํา (หายาก) สลับกันโดยมีอัตราขึ้นอยู่กับความถี่ ในระหว่างรอบความดันต่ําคลื่นอัลตราโซนิกความเข้มสูงจะสร้างฟองสูญญากาศขนาดเล็กหรือช่องว่างในของเหลว เมื่อฟองอากาศมีปริมาตรที่ไม่สามารถดูดซับพลังงานได้อีกต่อไปฟองอากาศจะยุบตัวลงอย่างรุนแรงในระหว่างวัฏจักรความดันสูง ปรากฏการณ์นี้เรียกว่า โพรงอากาศ. ในระหว่างการระเบิด อุณหภูมิที่สูงมาก (ประมาณ 5,000K) และความดัน (ประมาณ 2,000atm) จะถึงในท้องถิ่น การระเบิดของฟองอากาศยังส่งผลให้เกิดไอพ่นของเหลวที่มีความเร็วสูงถึง 280 ม./วินาที (ซูสลิก 1998) เห็นได้ชัดว่าไมโครและ นาโนคริสตัลไลน์ เพชรอาจสังเคราะห์ในด้านอัลตราโซนิก โพรงอากาศ.

ขั้นตอนอัลตราโซนิกสําหรับการสังเคราะห์นาโนไดมอนด์

โดยพฤตินัยการศึกษาของ Khachatryan et al. (2008) แสดงให้เห็นว่าไมโครคริสตัลเพชรยังสามารถสังเคราะห์ได้โดยการอัลตราโซนิกของสารแขวนลอยของกราไฟท์ในของเหลวอินทรีย์ที่ความดันบรรยากาศและอุณหภูมิห้อง ในฐานะที่เป็นของเหลวโพรงอากาศสูตรของโอโรมาติกโอลิโกเมอร์ถูกเลือกเนื่องจากความดันไออิ่มตัวต่ําและอุณหภูมิเดือดสูง ในของเหลวนี้ผงกราไฟท์บริสุทธิ์พิเศษ – ด้วยอนุภาคในช่วงระหว่าง 100-200 μm – ถูกแขวนลอย ในการทดลองของ Kachatryan et al. อัตราส่วนน้ําหนักของแข็งต่อของเหลวคือ 1:6 ความหนาแน่นของของเหลวโพรงอากาศคือ 1.1g cm^-3 ที่ 25 องศาเซลเซียส ความเข้มอัลตราโซนิกสูงสุดในเครื่องปฏิกรณ์โซโนเมตรคือ 75-80W ซม.^-2 สอดคล้องกับแอมพลิจูดความดันเสียง 15-16 บาร์
มีการแปลงกราไฟท์เป็นเพชรประมาณ 10% เพชรใกล้แล้ว กระจายโมโน ด้วยขนาดที่คมชัดและออกแบบมาอย่างดีในช่วง 6 หรือ 9μm ± 0.5μm พร้อมลูกบาศก์ โปร่งแสง สัณฐานวิทยาและ ความบริสุทธิ์สูง.

ภาพ SEM ของเพชรสังเคราะห์อัลตราโซนิก: รูปภาพ (a) และ (b) แสดงชุดตัวอย่าง 1, (c) และ (d) ชุดตัวอย่าง 2 [Khachatryan et al. 2008]

พื้นที่ ต้น ทุน ของไมโครเพชรและนาโนเพชรที่ผลิตโดยวิธีนี้คาดว่าจะเป็น แข่งขัน ด้วยกระบวนการแรงดันสูง-อุณหภูมิสูง (HPHT) สิ่งนี้ทําให้อัลตราซาวนด์เป็นทางเลือกที่เป็นนวัตกรรมใหม่สําหรับการสังเคราะห์ไมโครเพชรและนาโนเพชร (Khachatryan et al. 2008) โดยเฉพาะอย่างยิ่งเนื่องจากกระบวนการผลิตนาโนไดมอนด์สามารถปรับให้เหมาะสมได้โดยการตรวจสอบเพิ่มเติม พารามิเตอร์หลายอย่างเช่นแอมพลิจูดความดันอุณหภูมิของเหลวโพรงอากาศและความเข้มข้นจะต้องได้รับการตรวจสอบอย่างแม่นยําเพื่อค้นหาจุดที่น่าสนใจของการสังเคราะห์นาโนไดมอนด์อัลตราโซนิก
โดยผลลัพธ์ที่ได้ในการสังเคราะห์นาโนไดมอนด์ที่สร้างขึ้นด้วยอัลตราโซนิกเพิ่มเติม โพรงอากาศ มีศักยภาพในการสังเคราะห์สารประกอบที่สําคัญอื่นๆ เช่น ลูกบาศก์โบรอนไนไตรด์ คาร์บอนไนไตรด์ เป็นต้น (Khachatryan et al. 2008)
นอกจากนี้ ดูเหมือนว่าจะเป็นไปได้ที่จะสร้างสายนาโนเพชรและนาโนแท่งจากท่อนาโนคาร์บอนหลายผนัง (MWCNT) ภายใต้การฉายรังสีอัลตราโซนิก ลวดนาโนเพชรเป็นอะนาล็อกมิติเดียวของเพชรจํานวนมาก เนื่องจากโมดูลัสยืดหยุ่นสูง อัตราส่วนความแข็งแรงต่อน้ําหนัก และความง่ายสัมพัทธ์ในการทํางานของพื้นผิว เพชรจึงพบว่าเป็นวัสดุที่เหมาะสมที่สุดสําหรับการออกแบบนาโนแมคคานิก (Sun et al. 2004)

การกระจายอัลตราโซนิกของนาโนไดมอนด์

ดังที่ได้อธิบายไปแล้วการแยกตัวและการกระจายขนาดอนุภาคในตัวกลางเป็นสิ่งจําเป็นสําหรับการใช้ประโยชน์จากลักษณะเฉพาะของนาโนไดมอนด์ให้ประสบความสําเร็จ
การกระจายตัว และ การแยกตัวเป็นก้อน โดยอัลตราโซนิกเป็นผลมาจากอัลตราโซนิก โพรงอากาศ. เมื่อให้ของเหลวสัมผัสกับอัลตราซาวนด์คลื่นเสียงที่แพร่กระจายเข้าไปในของเหลวจะส่งผลให้เกิดวงจรความดันสูงและความดันต่ําสลับกัน สิ่งนี้ใช้ความเครียดเชิงกลกับแรงดึงดูดระหว่างอนุภาคแต่ละอนุภาค โพรงอากาศอัลตราโซนิกในของเหลวทําให้เกิดไอพ่นของเหลวความเร็วสูงถึง 1,000 กม./ชม. (ประมาณ 600 ไมล์ต่อชั่วโมง) ไอพ่นดังกล่าวกดของเหลวที่แรงดันสูงระหว่างอนุภาคและแยกออกจากกัน อนุภาคขนาดเล็กจะถูกเร่งด้วยไอพ่นของเหลวและชนกันด้วยความเร็วสูง สิ่งนี้ทําให้อัลตราซาวนด์เป็นวิธีที่มีประสิทธิภาพสําหรับการกระจายตัว แต่ยังรวมถึง การบด ของอนุภาคขนาดไมครอนและขนาดย่อยไมครอน
ตัวอย่างเช่น นาโนไดมอนด์ (ขนาดเฉลี่ยประมาณ 4 นาโนเมตร) และโพลีสไตรีนสามารถกระจายตัวในไซโคลเฮกเซนเพื่อให้ได้คอมโพสิตพิเศษ ในการศึกษาของพวกเขา Chipara et al. (2010) ได้เตรียมคอมโพสิตของโพลีสไตรีนและนาโนไดมอนด์ซึ่งมีนาโนไดมอนด์ในช่วงน้ําหนักระหว่าง 0 ถึง 25% เพื่อให้ได้คู่ การกระจายตัวพวกเขา sonicated สารละลายเป็นเวลา 60 นาทีกับ Hielscher UIP1000hd (1 กิโลวัตต์)

การทํางานด้วยอัลตราโซนิกช่วยของนาโนไดมอนด์

สําหรับการทํางานของพื้นผิวที่สมบูรณ์ของอนุภาคขนาดนาโนแต่ละอนุภาคพื้นผิวของอนุภาคจะต้องพร้อมสําหรับปฏิกิริยาเคมี ซึ่งหมายความว่าจําเป็นต้องมีการกระจายตัวที่สม่ําเสมอและละเอียด เนื่องจากอนุภาคที่กระจายตัวอย่างดีถูกล้อมรอบด้วยชั้นขอบเขตของโมเลกุลที่ดึงดูดไปยังพื้นผิวอนุภาค เพื่อให้ได้กลุ่มฟังก์ชันใหม่ไปยังพื้นผิวของนาโนไดมอนด์ชั้นขอบเขตนี้จะต้องถูกทําลายหรือลบออก กระบวนการทําลายและลบชั้นขอบเขตนี้สามารถทําได้โดยอัลตราโซนิก
อัลตราซาวนด์ที่นําเข้าสู่ของเหลวทําให้เกิดผลกระทบที่รุนแรงต่างๆ เช่น โพรงอากาศอุณหภูมิสูงมากในท้องถิ่นสูงถึง 2000K และไอพ่นของเหลวสูงถึง 1,000 กม./ชม. (Suslick 1998) ด้วยปัจจัยความเครียดนี้แรงดึงดูด (เช่นแรง Van-der-Waals) สามารถเอาชนะได้และโมเลกุลที่ใช้งานได้จะถูกส่งไปยังพื้นผิวของอนุภาคเพื่อทํางานเช่นพื้นผิวของนาโนไดมอนด์

โครงร่างที่ 1: กราฟิกของการแยกตัวออกจากแหล่งกําเนิดและการทํางานของพื้นผิวของนาโนไดมอนด์ (Liang 2011)

การทดลองด้วยการรักษาด้วย Bead-Assisted Sonic Disintegration (BASD) ได้แสดงให้เห็นผลลัพธ์ที่น่าพึงพอใจสําหรับการทํางานของพื้นผิวของนาโนไดมอนด์เช่นกัน ด้วยเหตุนี้จึงมีการใช้ลูกปัด (เช่นลูกปัดเซรามิกขนาดไมโครเช่นลูกปัด ZrO2) เพื่อบังคับใช้อัลตราโซนิก โพรงอากาศ บังคับบนอนุภาคนาโนไดมอนด์ การแยกตัวกันเกิดขึ้นเนื่องจากการปะทะกันระหว่างอนุภาคนาโนไดมอนด์และ ZrO₂ ลูก ปัด
เนื่องจากพื้นผิวของอนุภาคมีความพร้อมใช้งานที่ดีขึ้นสําหรับปฏิกิริยาทางเคมีเช่นการลดโบแรนอะริเลชันหรือซิแลนไนเซชันขอแนะนําให้ใช้อัลตราโซนิกหรือ BASD (การสลายตัวของโซนิคด้วยลูกปัด) โดยอัลตราโซนิก สลาย และ การแยกตัวเป็นก้อน ปฏิกิริยาเคมีสามารถดําเนินต่อไปได้อย่างสมบูรณ์มากขึ้น