Nanoelmasların Ultrasonik Sentezi

Grafitten elmasa: güç ultrasonu, oda sıcaklığında ve atmosfer basıncında mikro ve nanokristalin elmasların sentezlenmesi için umut vadeden bir yol sunar. Yoğun akustik kavitasyon, organik sıvılardaki grafit süspansiyonlarında elmas oluşumunu mümkün kılar. Sentezin ötesinde ultrasonikasyon, elde edilen nanoelmasların etkili bir şekilde disperse edilmesini, deaglomerasyona uğratılmasını ve işlevselleştirilmesini destekler – böylece hem üretim hem de sonraki işlemler için çok yönlü bir araç hâline gelir.

Nanoelmas İşleme için Ultrason

Nanoelmaslar (detonasyon elmasları (DND) veya ultradisperse elmaslar (UDD) olarak da adlandırılır), benzersiz özellikleri – kafes yapıları, geniş yüzeyleri ve benzersiz optik ve manyetik özellikleri gibi – ve olağanüstü işlevsellikleriyle ayırt edilen özel bir karbon nanomalzeme biçimidir. Ultradisperse parçacıkların özellikleri, bu malzemeleri olağanüstü işlevlere sahip yeni malzemelerin oluşturulması için yenilikçi bileşikler hâline getirir. Kurumdaki elmas parçacıklarının boyutu yaklaşık 5nm’dir.

Ultrasonik Olarak Sentezlenen Nanoelmaslar

Elmas sentezi, bilimsel ve ticari ilgi açısından önemli bir araştırma alanıdır. Mikrokristalin ve nanokristalin elmas parçacıklarının sentezinde yaygın olarak kullanılan süreç, yüksek basınç–yüksek sıcaklık (HPHT) tekniğidir. Bu yöntemle, dünya genelindeki endüstriyel elmas arzının büyük bölümünü üretmek için gerekli olan on binlerce atmosferlik işlem basıncı ve 2000K’den yüksek sıcaklıklar oluşturulur. Grafitin elmasa dönüştürülmesi için genellikle yüksek basınçlar ve yüksek sıcaklıklar gerekir; elmas verimini artırmak için katalizörler kullanılır.
Dönüşüm için gerekli bu koşullar, çok verimli bir şekilde şu yöntemle oluşturulabilir: yüksek güçlü ultrason kullanımı (= düşük frekanslı, yüksek yoğunluklu ultrason):

Ultrasonik Kavitasyon

Sıvılardaki ultrason, yerel olarak son derece uç etkiler oluşturur. Sıvılar yüksek yoğunluklarda sonikasyona tabi tutulduğunda, sıvı ortamda yayılan ses dalgaları, tekrarlanma hızları frekansa bağlı olan, birbirini izleyen yüksek basınç (sıkışma) ve düşük basınç (seyrelme) çevrimlerine yol açar. Düşük basınç çevrimi sırasında yüksek yoğunluklu ultrasonik dalgalar, sıvıda küçük vakum kabarcıkları veya boşluklar oluşturur. Kabarcıklar artık enerji soğuramayacakları bir hacme ulaştığında, yüksek basınç çevrimi sırasında şiddetle çöker. Bu olguya verilen ad kavitasyondur. İçe doğru çökme sırasında yerel olarak çok yüksek sıcaklıklara (yaklaşık 5.000K) ve basınçlara (yaklaşık 2.000atm) ulaşılır. Kavitasyon kabarcığının içe doğru çökmesi, hızı 280m/s’ye kadar ulaşan sıvı jetlerine de yol açar. (Suslick 1998) Mikrokristalin ve nanokristalin elmasların sentezlenmesinin mümkün olabileceği açık olan ortam, ultrasonik kavitasyon alanıdır.

Bu videoda, gazla süpürülebilen bir kabin içinde hat üzerinde çalışmak üzere tasarlanmış 2 kilowattlık bir ultrasonik sistem gösteriyoruz. Hielscher, kimya, ilaç, kozmetik ve petrokimya endüstrileri ile çözücü bazlı ekstraksiyon süreçleri dahil olmak üzere hemen hemen tüm endüstrilere ultrasonik ekipman tedarik etmektedir. Gazla süpürülebilen bu paslanmaz çelik kabin, tehlikeli alanlarda çalışmak üzere tasarlanmıştır. Bu amaçla müşteri, yanıcı gazların veya buharların kabine girmesini önlemek için sızdırmaz kabini azot veya temiz hava ile süpürebilir.

Nanoelmas Sentezi için Ultrasonik Yöntem

Nitekim Khachatryan ve arkadaşlarının (2008) çalışması, organik sıvı içindeki bir grafit süspansiyonunun atmosfer basıncında ve oda sıcaklığında ultrasonikasyona tabi tutulmasıyla elmas mikrokristallerinin de sentezlenebileceğini göstermektedir. Düşük doymuş buhar basıncı ve yüksek kaynama sıcaklığı nedeniyle, kavitasyon sıvısı olarak aromatik oligomerlerden oluşan bir formülasyon seçilmiştir. Bu sıvıda, parçacıkları 100–200 µm aralığında olan özel saf grafit tozu süspanse edilmiştir. Kachatryan ve arkadaşlarının deneylerinde katı–sıvı ağırlık oranı 1:6 olup, kavitasyon sıvısının yoğunluğu 1,1g cm^-3 idi (25°C’de). Sonoreaktördeki maksimum ultrasonik yoğunluk 75–80W cm^-2 olup, bu değer 15–16 bar’lık bir ses basıncı genliğine karşılık gelmiştir.
Yaklaşık %10 grafitten elmasa dönüşüm elde edilmiştir. Elmaslar neredeyse monodisperse olup, 6 veya 9μm ± 0,5μm aralığında çok dar ve iyi ayarlanmış bir boyut dağılımına, kübik, kristalin bir morfolojiye ve yüksek saflığa sahipti.

Bu yöntemle üretilen mikro ve nanoelmasların maliyetlerinin yüksek basınç–yüksek sıcaklık (HPHT) sürecinin maliyetleriyle rekabet edebilir olduğu tahmin edilmektedir. Özellikle nanoelmasların üretim süreci daha fazla araştırmayla optimize edilebileceği için bu durum, ultrasonu mikro ve nanoelmasların sentezinde yenilikçi bir alternatif hâline getirir (Khachatryan ve ark. 2008). Ultrasonik nanoelmas sentezinin optimum çalışma noktasını belirlemek için genlik, basınç, sıcaklık, kavitasyon sıvısı ve konsantrasyon gibi birçok parametre titizlikle incelenmelidir.
Nanoelmas sentezinde elde edilen sonuçlara dayanarak, ultrasonik olarak oluşturulan kavitasyon ayrıca kübik bor nitrür, karbon nitrür vb. diğer önemli bileşiklerin sentezi için potansiyel sunar. (Khachatryan ve ark. 2008)
Bunun yanı sıra, ultrasonik ışınlama altında çok duvarlı karbon nanotüplerden (MWCNTs) elmas nanoteller ve nanoçubuklar oluşturmanın mümkün olduğu da görülmektedir. Elmas nanoteller, yığın elmasın tek boyutlu analoglarıdır. Yüksek elastik modülü, dayanım/ağırlık oranı ve yüzeylerinin nispeten kolay işlevselleştirilebilmesi nedeniyle elmasın nanomekanik tasarımlar için en uygun malzeme olduğu bulunmuştur. (Sun ve ark. 2004)

Nanoelmasların Ultrasonik Dispersiyonu

Daha önce açıklandığı gibi, deaglomerasyon ve ortamdaki homojen parçacık boyutu dağılımı, nanoelmasların benzersiz özelliklerinden başarıyla yararlanmak için temel gerekliliklerdir.
Dispersiyon ve deaglomerasyon işlemlerinin ultrasonikasyonla gerçekleşmesini sağlayan etken, ultrasonik kavitasyondur. Sıvılar ultrasona maruz bırakıldığında, sıvıda yayılan ses dalgaları birbirini izleyen yüksek basınç ve düşük basınç çevrimlerine yol açar. Bu durum, tek tek parçacıklar arasındaki çekim kuvvetlerine mekanik gerilme uygular. Sıvılardaki ultrasonik kavitasyon, hızı 1000km/hr’ye (yaklaşık 600mph) kadar ulaşan yüksek hızlı sıvı jetleri oluşturur. Bu jetler, sıvıyı yüksek basınçla parçacıkların arasına iter ve parçacıkları birbirinden ayırır. Daha küçük parçacıklar sıvı jetleriyle hızlandırılır ve yüksek hızlarda çarpışır. Bu durum ultrasonu, mikron boyutlu ve mikron altı boyutlu parçacıkların dispersiyonu için olduğu kadar öğütülmesi için de etkili bir araç hâline getirir.
Örneğin, özel bir kompozit elde etmek için nanoelmaslar (ortalama boyutları yaklaşık 4nm) ve polistiren sikloheksan içinde disperse edilebilir. Chipara ve arkadaşları (2010), çalışmalarında ağırlıkça 0 ile %25 arasında nanoelmas içeren polistiren ve nanoelmas kompozitleri hazırlamıştır. Homojen bir dispersiyon elde etmek için çözeltiyi, Hielscher’in 1000 watts gücündeki UIP1000hd sonikatörünü kullanarak 60 min boyunca sonikasyona tabi tutmuşlardır.
Ultrasonik nanoelmas deagregasyonu hakkında daha fazla bilgi edinin!

Nanoelmasların Ultrason Destekli İşlevselleştirilmesi

Nano boyutlu her bir parçacığın tüm yüzeyinin işlevselleştirilmesi için parçacık yüzeyinin kimyasal reaksiyona açık olması gerekir. İyi disperse edilmiş parçacıklar, parçacık yüzeyine çekilen moleküllerden oluşan bir sınır tabakasıyla çevrili olduğundan, bu durum homojen ve ince bir dispersiyon gerektirir. Nanoelmasların yüzeyine yeni fonksiyonel gruplar kazandırmak için bu sınır tabakası parçalanmalı veya uzaklaştırılmalıdır. Sınır tabakasını parçalama ve uzaklaştırma işlemi ultrasonla gerçekleştirilebilir.
Sıvıya aktarılan ultrason; kavitasyon, yerel olarak 2000K’ye kadar ulaşan çok yüksek sıcaklık ve hızı 1000km/hr’ye kadar ulaşan sıvı jetleri gibi çeşitli uç etkiler oluşturur. (Suslick 1998) Bu gerilme etkenleriyle çekim kuvvetleri (örneğin Van-der-Waals kuvvetleri) aşılabilir ve fonksiyonel moleküller, örneğin nanoelmasların yüzeyini işlevselleştirmek üzere parçacık yüzeyine taşınır.

Boncuk Destekli Sonik Parçalama (BASD) işlemiyle yapılan deneyler, nanoelmasların yüzey işlevselleştirilmesi için de umut vadeden sonuçlar göstermiştir. Bu yöntemde boncuklar (örneğin ZrO2 boncukları gibi mikro boyutlu seramik boncuklar), ultrasonik kavitasyon kuvvetlerinin nanoelmas parçacıkları üzerindeki etkisini artırmak için kullanılmıştır. Deaglomerasyon, nanoelmas parçacıkları ile ZrO₂ boncukları arasındaki parçacıklar arası çarpışmalar nedeniyle gerçekleşir.
Parçacık yüzeyinin daha erişilebilir olması nedeniyle, boran indirgemesi, arilasyon veya silanizasyon gibi kimyasal reaksiyonlar için dispersiyon amacıyla ultrasonik veya BASD (boncuk destekli sonik parçalama) ön işlemi uygulanması kuvvetle tavsiye edilir. Ultrasonik dispersiyon ve deaglomerasyon sayesinde kimyasal reaksiyon çok daha eksiksiz ilerleyebilir.