การสังเคราะห์เพชรนาโนด้วยอัลตราซาวนด์

จากแกรไฟต์สู่เพชร: อัลตราซาวนด์กำลังสูงเป็นแนวทางที่มีแนวโน้มดีในการสังเคราะห์เพชรผลึกระดับไมโครและนาโนที่อุณหภูมิห้องและความดันบรรยากาศ คาวิเทชันจากคลื่นเสียงที่รุนแรงทำให้เกิดเพชรในสารแขวนลอยของแกรไฟต์ในของเหลวอินทรีย์ นอกเหนือจากการสังเคราะห์ การใช้คลื่นอัลตราซาวนด์ยังช่วยกระจายตัว สลายการเกาะกลุ่ม และปรับหมู่ฟังก์ชันของเพชรนาโนที่ได้อย่างมีประสิทธิภาพ – จึงเป็นเครื่องมืออเนกประสงค์สำหรับทั้งการผลิตและการแปรรูปภายหลังการสังเคราะห์

อัลตราซาวนด์สำหรับการแปรรูปเพชรนาโน

เพชรนาโน (หรือเรียกว่าเพชรจากการระเบิด (DND) หรือเพชรที่กระจายตัวอย่างละเอียดมาก (UDD)) เป็นวัสดุนาโนคาร์บอนรูปแบบพิเศษที่โดดเด่นด้วยลักษณะเฉพาะตัว – เช่น โครงสร้างโครงผลึก พื้นที่ผิวขนาดใหญ่ ตลอดจนสมบัติทางแสงและแม่เหล็กที่เป็นเอกลักษณ์ – และความสามารถในการทำหน้าที่ที่โดดเด่นเป็นพิเศษ สมบัติของอนุภาคที่กระจายตัวอย่างละเอียดมากทำให้วัสดุเหล่านี้เป็นสารประกอบเชิงนวัตกรรมสำหรับการสร้างวัสดุชนิดใหม่ที่มีหน้าที่พิเศษ ขนาดของอนุภาคเพชรในเขม่าประมาณ 5nm

เพชรนาโนที่สังเคราะห์ด้วยอัลตราซาวนด์

การสังเคราะห์เพชรเป็นสาขาวิจัยที่สำคัญทั้งในด้านวิทยาศาสตร์และเชิงพาณิชย์ กระบวนการที่ใช้กันทั่วไปในการสังเคราะห์อนุภาคเพชรผลึกระดับไมโครและนาโนคือเทคนิคความดันสูงและอุณหภูมิสูง (HPHT) วิธีนี้สร้างความดันสำหรับกระบวนการตามที่ต้องการในระดับหลายหมื่นบรรยากาศและอุณหภูมิสูงกว่า 2000K เพื่อผลิตเพชรอุตสาหกรรมส่วนใหญ่ที่จัดหาให้ทั่วโลก โดยทั่วไป การเปลี่ยนแกรไฟต์เป็นเพชรต้องใช้ความดันสูงและอุณหภูมิสูง และใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาเพื่อเพิ่มผลได้ของเพชร
สามารถสร้างสภาวะที่จำเป็นต่อการเปลี่ยนรูปเหล่านี้ได้อย่างมีประสิทธิภาพมากด้วยการใช้ อัลตราซาวนด์กำลังสูง (= อัลตราซาวนด์ความถี่ต่ำและความเข้มสูง):

คาวิเทชันจากอัลตราซาวนด์

อัลตราซาวนด์ในของเหลวทำให้เกิดผลกระทบที่รุนแรงอย่างยิ่งเฉพาะบริเวณ เมื่อใช้คลื่นอัลตราซาวนด์ความเข้มสูงกับของเหลว คลื่นเสียงที่แพร่เข้าสู่ตัวกลางของเหลวจะทำให้เกิดวัฏจักรความดันสูง (การอัดตัว) และความดันต่ำ (การขยายตัว) สลับกัน โดยมีอัตราขึ้นอยู่กับความถี่ ระหว่างวัฏจักรความดันต่ำ คลื่นอัลตราซาวนด์ความเข้มสูงจะสร้างฟองสุญญากาศขนาดเล็กหรือโพรงในของเหลว เมื่อฟองมีปริมาตรถึงระดับที่ไม่สามารถดูดซับพลังงานได้อีก ฟองจะยุบตัวอย่างรุนแรงระหว่างวัฏจักรความดันสูง ปรากฏการณ์นี้เรียกว่า คาวิเทชัน ระหว่างการยุบตัวเข้าด้านใน จะเกิดอุณหภูมิที่สูงมาก (ประมาณ 5,000K) และความดันที่สูงมาก (ประมาณ 2,000atm) เฉพาะบริเวณ การยุบตัวของฟองคาวิเทชันยังทำให้เกิดลำพุ่งของเหลวที่มีความเร็วสูงถึง 280m/s (Suslick 1998) เห็นได้ชัดว่าเพชรผลึกระดับไมโครและ นาโน อาจสังเคราะห์ได้ในบริเวณที่เกิด คาวิเทชันจากอัลตราซาวนด์.

ในวิดีโอนี้ เราจะแสดงระบบอัลตราโซนิกขนาด 2 กิโลวัตต์สำหรับการทำงานแบบอินไลน์ภายในตู้ที่สามารถอัดก๊าซไล่อากาศได้ Hielscher จัดหาอุปกรณ์อัลตราโซนิกให้กับอุตสาหกรรมเกือบทุกประเภท เช่น อุตสาหกรรมเคมี เภสัชกรรม เครื่องสำอาง กระบวนการปิโตรเคมี รวมถึงกระบวนการสกัดด้วยตัวทำละลาย ตู้สเตนเลสที่สามารถอัดก๊าซไล่อากาศได้นี้ออกแบบมาสำหรับการใช้งานในพื้นที่อันตราย เพื่อการนี้ ลูกค้าสามารถอัดไนโตรเจนหรืออากาศสะอาดเข้าไปในตู้ที่ปิดผนึก เพื่อป้องกันไม่ให้ก๊าซหรือไอระเหยไวไฟเข้าสู่ตู้

ขั้นตอนการใช้อัลตราซาวนด์เพื่อสังเคราะห์เพชรนาโน

อันที่จริง การศึกษาของ Khachatryan และคณะ (2008) แสดงให้เห็นว่าสามารถสังเคราะห์ผลึกเพชรระดับไมโครได้ด้วยการใช้คลื่นอัลตราซาวนด์กับสารแขวนลอยของแกรไฟต์ในของเหลวอินทรีย์ที่ความดันบรรยากาศและอุณหภูมิห้องเช่นกัน โดยเลือกสูตรผสมของโอลิโกเมอร์อะโรมาติกเป็นของเหลวสำหรับคาวิเทชัน เนื่องจากมีความดันไออิ่มตัวต่ำและอุณหภูมิเดือดสูง ผงแกรไฟต์บริสุทธิ์ชนิดพิเศษ – ซึ่งมีอนุภาคในช่วง 100–200 µm – ถูกทำให้แขวนลอยในของเหลวนี้ ในการทดลองของ Kachatryan และคณะ อัตราส่วนโดยน้ำหนักระหว่างของแข็งกับของเหลวเท่ากับ 1:6 และความหนาแน่นของของเหลวสำหรับคาวิเทชันเท่ากับ 1.1g cm^-3 ที่ 25°C ความเข้มอัลตราซาวนด์สูงสุดในเครื่องปฏิกรณ์อัลตราซาวนด์เท่ากับ 75–80W cm^-2 ซึ่งสอดคล้องกับแอมพลิจูดความดันเสียง 15–16 bar
ได้อัตราการเปลี่ยนแกรไฟต์เป็นเพชรประมาณ 10% เพชรมีลักษณะเกือบเป็น อนุภาคที่มีขนาดเดียวกัน โดยมีการกระจายขนาดที่แคบมากและกำหนดไว้เป็นอย่างดีในช่วง 6 หรือ 9μm ± 0.5μm มีสัณฐานวิทยาเป็น ผลึก ทรงลูกบาศก์ และมี ความบริสุทธิ์สูง.

สำหรับ ต้นทุน ของเพชรระดับไมโครและนาโนที่ผลิตด้วยวิธีนี้ คาดว่าสามารถ แข่งขันได้ กับกระบวนการความดันสูงและอุณหภูมิสูง (HPHT) จึงทำให้อัลตราซาวนด์เป็นทางเลือกเชิงนวัตกรรมสำหรับการสังเคราะห์เพชรระดับไมโครและนาโน (Khachatryan และคณะ 2008) โดยเฉพาะอย่างยิ่งเนื่องจากสามารถปรับกระบวนการผลิตเพชรนาโนให้เหมาะสมยิ่งขึ้นได้ด้วยการศึกษาเพิ่มเติม ต้องตรวจสอบพารามิเตอร์หลายประการอย่างแม่นยำ เช่น แอมพลิจูด ความดัน อุณหภูมิ ของเหลวสำหรับคาวิเทชัน และความเข้มข้น เพื่อค้นหาสภาวะที่เหมาะสมที่สุดสำหรับการสังเคราะห์เพชรนาโนด้วยอัลตราซาวนด์
จากผลที่ได้ในการสังเคราะห์เพชรนาโน คาวิเทชัน ที่เกิดจากอัลตราซาวนด์ยังมีศักยภาพสำหรับการสังเคราะห์สารประกอบสำคัญอื่น ๆ เช่น โบรอนไนไตรด์โครงสร้างลูกบาศก์ คาร์บอนไนไตรด์ เป็นต้น (Khachatryan และคณะ 2008)
นอกจากนี้ ดูเหมือนว่าจะสามารถสร้างเส้นลวดนาโนและแท่งนาโนเพชรจากท่อนาโนคาร์บอนหลายผนัง (MWCNTs) ภายใต้การฉายคลื่นอัลตราซาวนด์ได้ เส้นลวดนาโนเพชรเป็นโครงสร้างหนึ่งมิติที่เทียบเคียงกับเพชรแบบมวลรวม ด้วยมอดูลัสยืดหยุ่นสูง อัตราส่วนความแข็งแรงต่อน้ำหนักสูง และความสะดวกในการปรับหมู่ฟังก์ชันบนพื้นผิวเมื่อเทียบกัน จึงพบว่าเพชรเป็นวัสดุที่เหมาะสมที่สุดสำหรับการออกแบบระบบกลศาสตร์ระดับนาโน (Sun และคณะ 2004)

การกระจายเพชรนาโนด้วยอัลตราซาวนด์

ดังที่อธิบายไว้แล้ว การสลายการเกาะกลุ่มและการกระจายขนาดอนุภาคอย่างสม่ำเสมอในตัวกลางเป็นสิ่งจำเป็นสำหรับการใช้ประโยชน์จากลักษณะเฉพาะตัวของเพชรนาโนให้ประสบความสำเร็จ
การกระจายตัว และ การสลายการเกาะกลุ่ม ด้วยการใช้คลื่นอัลตราซาวนด์เป็นผลจาก คาวิเทชันจากอัลตราซาวนด์ เมื่อของเหลวได้รับคลื่นอัลตราซาวนด์ คลื่นเสียงที่แพร่เข้าสู่ของเหลวจะทำให้เกิดวัฏจักรความดันสูงและความดันต่ำสลับกัน ซึ่งก่อให้เกิดความเค้นเชิงกลต่อแรงดึงดูดระหว่างอนุภาคแต่ละอนุภาค คาวิเทชันจากอัลตราซาวนด์ในของเหลวทำให้เกิดลำพุ่งของเหลวความเร็วสูงถึง 1000km/hr (ประมาณ 600mph) ลำพุ่งเหล่านี้ดันของเหลวด้วยความดันสูงเข้าไประหว่างอนุภาคและแยกอนุภาคออกจากกัน อนุภาคที่เล็กกว่าจะถูกเร่งด้วยลำพุ่งของเหลวและชนกันด้วยความเร็วสูง ทำให้อัลตราซาวนด์เป็นวิธีที่มีประสิทธิภาพทั้งสำหรับการกระจายตัวและ การบด อนุภาคขนาดไมครอนและเล็กกว่าไมครอน
ตัวอย่างเช่น สามารถกระจายเพชรนาโน (ขนาดเฉลี่ยประมาณ 4nm) และพอลิสไตรีนในไซโคลเฮกเซนเพื่อให้ได้วัสดุคอมโพสิตชนิดพิเศษ ในการศึกษาของ Chipara และคณะ (2010) ได้เตรียมคอมโพสิตของพอลิสไตรีนและเพชรนาโน ซึ่งมีเพชรนาโนในช่วงระหว่าง 0 และ 25% โดยน้ำหนัก เพื่อให้กระจายตัวอย่างสม่ำเสมอ จึงใช้คลื่นอัลตราซาวนด์กับสารละลายเป็นเวลา 60 min ด้วยเครื่องอัลตราซาวนด์กำลังสูง 1000 วัตต์ของ Hielscher รุ่น UIP1000hd
เรียนรู้เพิ่มเติมเกี่ยวกับการสลายกลุ่มอนุภาคเพชรนาโนด้วยอัลตราซาวนด์!

การปรับหมู่ฟังก์ชันของเพชรนาโนโดยใช้อัลตราซาวนด์ช่วย

ในการปรับหมู่ฟังก์ชันทั่วทั้งพื้นผิวของอนุภาคขนาดนาโนแต่ละอนุภาค พื้นผิวของอนุภาคต้องพร้อมให้เกิดปฏิกิริยาเคมีได้ ซึ่งหมายความว่าต้องมีการกระจายตัวที่สม่ำเสมอและละเอียด เนื่องจากอนุภาคที่กระจายตัวดีจะถูกล้อมรอบด้วยชั้นขอบเขตของโมเลกุลที่ถูกดึงดูดเข้าหาพื้นผิวอนุภาค เพื่อให้หมู่ฟังก์ชันใหม่เข้าถึงพื้นผิวของเพชรนาโน ต้องทำลายหรือกำจัดชั้นขอบเขตนี้ กระบวนการทำลายและกำจัดชั้นขอบเขตดังกล่าวสามารถทำได้ด้วยอัลตราซาวนด์
อัลตราซาวนด์ที่ส่งเข้าสู่ของเหลวทำให้เกิดผลกระทบรุนแรงหลายรูปแบบ เช่น คาวิเทชัน อุณหภูมิที่สูงมากเฉพาะบริเวณถึง 2000K และลำพุ่งของเหลวที่มีความเร็วสูงถึง 1000km/hr (Suslick 1998) ปัจจัยที่ก่อให้เกิดความเค้นเหล่านี้สามารถเอาชนะแรงดึงดูด (เช่น แรงแวนเดอร์วาลส์) และพาโมเลกุลที่มีหมู่ฟังก์ชันไปยังพื้นผิวของอนุภาคเพื่อปรับหมู่ฟังก์ชัน เช่น บนพื้นผิวของเพชรนาโน

การทดลองด้วยกระบวนการสลายตัวด้วยคลื่นเสียงโดยใช้เม็ดบีดช่วย (Bead-Assisted Sonic Disintegration, BASD) แสดงผลที่มีแนวโน้มดีสำหรับการปรับหมู่ฟังก์ชันบนพื้นผิวของเพชรนาโนเช่นกัน โดยใช้เม็ดบีด (เช่น เม็ดบีดเซรามิกขนาดไมโคร เช่น เม็ดบีด ZrO2) เพื่อเพิ่มแรง คาวิเทชัน จากอัลตราซาวนด์ที่กระทำต่ออนุภาคเพชรนาโน การสลายการเกาะกลุ่มเกิดขึ้นจากการชนระหว่างอนุภาคเพชรนาโนกับเม็ดบีด ZrO₂
เนื่องจากพื้นผิวอนุภาคพร้อมให้เกิดปฏิกิริยาได้ดีขึ้น จึงแนะนำอย่างยิ่งให้ใช้การปรับสภาพล่วงหน้าด้วยอัลตราซาวนด์หรือ BASD (การสลายตัวด้วยคลื่นเสียงโดยใช้เม็ดบีดช่วย) เพื่อการกระจายตัว ก่อนปฏิกิริยาเคมี เช่น การรีดักชันด้วย Boran การเติมหมู่แอริล หรือการทำไซลาไนเซชัน ด้วย การกระจายตัว และ การสลายการเกาะกลุ่ม โดยใช้อัลตราซาวนด์ ปฏิกิริยาเคมีสามารถดำเนินไปได้อย่างสมบูรณ์มากยิ่งขึ้น