Ультразвуковий синтез наноалмазів
- Завдяки своїй інтенсивній кавітаційній силі силовий ультразвук є перспективною методикою отримання мікронних і нанорозмірних алмазів з графіту.
- Мікро- та нанокристалічні алмази можуть бути синтезовані за допомогою звукової суспензії графіту в органічній рідині при атмосферному тиску та кімнатній температурі.
- Ультразвук також є корисним інструментом для постобробки синтезованих наноалмазів, оскільки ультразвук дуже ефективно диспергує, деагломерує та функціоналізує наночастинки.
Ультразвук для обробки наноалмазів
Наноалмази (також звані детонаційними алмазами (DND) або ультрадисперсними алмазами (UDD)) - це особлива форма вуглецевих наноматеріалів, що відрізняються унікальними характеристиками - такими як структура решітки, велика поверхня, а також унікальні оптичні та магнітні властивості - і винятковою функціональністю. Властивості ультрадисперсних частинок роблять ці матеріали інноваційними сполуками для створення нових матеріалів з надзвичайними функціями. Розмір алмазних частинок у сажі становить близько 5 нм.
Під дією сильних сил, таких як звуковий звук або детонація, графіт може перетворитися на алмаз.
Ультразвуково синтезовані наноалмази
Синтез алмазів є важливим напрямком досліджень щодо наукових і комерційних інтересів. Широко використовуваним процесом для синтезу мікрокристалічних і нанокристалічних частинок алмазу є метод високого тиску та високої температури (HPHT). За допомогою цього методу створюється необхідний технологічний тиск в десятки тисяч атмосфер і температури понад 2000 К для виробництва основної частини світових поставок промислових алмазів. Для перетворення графіту в алмаз, як правило, потрібні високі тиски і високі температури, а для збільшення виходу алмазу використовуються каталізатори.
Ці вимоги, необхідні для перетворення, можуть бути сформовані дуже ефективно за допомогою використання УЗД високої потужності (= ультразвук низької частоти, високої інтенсивності):
ультразвукова кавітація
Ультразвук в рідинах викликає локально дуже екстремальні наслідки. При ультразвуковому синтезі рідин з високою інтенсивністю звукові хвилі, які поширюються в рідкі середовища, призводять до чергування циклів високого тиску (стиснення) і низького тиску (розрідження) зі швидкістю в залежності від частоти. Під час циклу низького тиску ультразвукові хвилі високої інтенсивності створюють невеликі вакуумні бульбашки або порожнечі в рідині. Коли бульбашки досягають об'єму, при якому вони більше не можуть поглинати енергію, вони сильно руйнуються під час циклу високого тиску. Це явище отримало назву Кавітації. Під час імплозії локально досягаються дуже високі температури (приблизно 5 000 К) і тиск (приблизно 2 000 атм). Імплозія кавітаційного міхура також призводить до утворення струменів рідини зі швидкістю до 280 м/с. (Суслік, 1998) Очевидно, що мікро- і нанокристалічні алмази можуть бути синтезовані в області ультразвуку Кавітації.
Ультразвукова процедура синтезу наноалмазів
Де-факто дослідження Khachatryan et al. (2008) показує, що алмазні мікрокристали також можуть бути синтезовані ультразвуковим впливом суспензії графіту в органічній рідині при атмосферному тиску та кімнатній температурі. В якості кавітаційної рідини була обрана формула ароматичних олігомерів через низький тиск насиченої пари і високу температуру кипіння. У цій рідині використовується спеціальний чистий графітовий порошок – з частинками в діапазоні 100-200 мкм – був у підвішеному стані. У експериментах Kachatryan et al. співвідношення ваги твердої рідини до рідини становило 1:6, щільність кавітаційної рідини – 1,1 г см-3 при температурі 25°C. Максимальна інтенсивність ультразвуку в соноракторі склала 75-80 Вт см-2 що відповідає амплітуді звукового тиску 15-16 бар.
Було досягнуто приблизно 10% перетворення графіту в алмаз. Діаманти були майже монодисперсні з дуже різким, добре розробленим розміром в діапазоні 6 або 9 мкм ± 0,5 мкм, з кубічними, Кристалічний морфології та висока чистота,.
SEM-зображення ультразвуково синтезованих алмазів: зображення (a) і (b) показують серію зразків 1, (c) і (d) серію зразків 2. [Хачатрян та ін., 2008]
Об'єкт Витрати мікро- і наноалмазів, отриманих цим методом, оцінюється в Конкурентні з процесом високого тиску та високої температури (HPHT). Це робить ультразвук інноваційною альтернативою для синтезу мікро- та наноалмазів (Khachatryan et al. 2008), особливо з огляду на те, що процес виробництва наноалмазів може бути оптимізований подальшими дослідженнями. Багато параметрів, таких як амплітуда, тиск, температура, кавітаційна рідина та концентрація, повинні бути точно вивчені, щоб виявити золоту середину синтезу ультразвукових наноалмазів.
За результатами, досягнутими при синтезі наноалмазів, додатково отриманих ультразвуковим способом Кавітації відкриває потенціал для синтезу інших важливих сполук, таких як кубічний нітрид бору, нітрид вуглецю тощо (Khachatryan et al. 2008)
Крім того, здається можливим створення алмазних нанодротів і наностержнів з багатостінних вуглецевих нанотрубок (MWCNT) під ультразвуковим опроміненням. Алмазні нанодроти є одновимірними аналогами об'ємного алмазу. Завдяки високому модулю пружності, співвідношенню міцності до ваги та відносній легкості, з якою можна функціоналізувати його поверхні, алмаз був визнаний оптимальним матеріалом для наномеханічних конструкцій. (Sun та ін., 2004)
Ультразвукове диспергування наноалмазів
Як вже було описано, деагломерація і рівномірний розподіл частинок за розмірами в середовищі є важливими для успішної експлуатації наноалмазів’ унікальні характеристики.
Дисперсії і деагломерація за допомогою ультразвуку є результатом ультразвукового Кавітації. Під час впливу рідини на ультразвук звукові хвилі, які поширюються в рідину, призводять до чергування циклів високого та низького тиску. При цьому механічний тиск впливає на сили притягання між окремими частинками. Ультразвукова кавітація в рідинах викликає високошвидкісні струмені рідини зі швидкістю до 1000 км/год (приблизно 600 миль/год). Такі струмені тиснуть рідину під високим тиском між частинками і відокремлюють їх один від одного. Більш дрібні частинки розганяються струменями рідини і стикаються на високих швидкостях. Це робить ультразвук ефективним засобом для розсіювання, а також для Фрезерні частинок мікронного та субмікронного розміру.
Наприклад, наноалмази (середній розмір близько 4 нм) і полістирол можна диспергувати в циклогексані для отримання спеціального композиту. У своєму дослідженні Chipara та ін. (2010) підготували композити з полістиролу і наноалмазів, що містять наноалмази в діапазоні від 0 до 25% ваги. Для отримання рівномірної дисперсії вони обробляли розчин ультразвуком протягом 60 хвилин за допомогою потужного ультразвукового апарату Hielscher UIP1000hd потужністю 1000 Вт.
Дізнайтеся більше про ультразвукову деагрегацію наноалмазів!
Функціоналізація наноалмазів за допомогою ультразвуку
Для функціоналізації всієї поверхні кожної нанорозмірної частинки, поверхня частинки повинна бути доступною для хімічної реакції. Це означає, що необхідна рівномірна і тонка дисперсія, оскільки добре дисперговані частинки оточені граничним шаром молекул, що притягуються до поверхні частинок. Щоб отримати нові функціональні групи в наноалмазах’ поверхні, цей пограничний шар повинен бути зруйнований або видалений. Цей процес руйнування і видалення прикордонного шару може бути виконаний за допомогою ультразвуку.
Ультразвук, введений в рідину, генерує різні екстремальні ефекти, такі як Кавітаціїлокально дуже висока температура до 2000К і струмені рідини зі швидкістю до 1000 км/год. (Suslick 1998) За допомогою цих стресових факторів сили притягання (наприклад, сили Ван-дер-Ваальса) можуть бути подолані, і функціональні молекули переносяться на поверхню частинки, щоб функціонувати, наприклад, наноалмази.’ на поверхню.
Схема 1: Графік деагломерації in situ та функціоналізації поверхні наноалмазів (Liang 2011)
Експерименти з обробкою Bead-Assisted Sonic Disintegration (BASD) показали багатообіцяючі результати і для поверхневої фунціоналізації наноалмазів. Таким чином, намистини (наприклад, керамічні кульки мікророзміру, такі як намистини ZrO2) використовуються для посилення ультразвукового кавітаційні сил на наноалмазні частинки. Деагломерація відбувається внаслідок міжспецифічного зіткнення між наноалмазними частинками та ZrO2 Бісером.
Завдяки кращій доступності частинок’ Для хімічних реакцій, таких як відновлення борану, арилювання або силанізація, настійно рекомендується попередня обробка ультразвуком або BASD (звукова дезінтеграція з допомогою бісеру) з метою диспергування. За допомогою ультразвуку Диспергування і деагломерація Хімічна реакція може протікати набагато повніше.
Ультразвукова авіація призводить до екстремальних перепадів температур і тиску, а також до високошвидкісних струменів рідини. Таким чином, потужний ультразвук є успішним методом обробки для змішування та подрібнення.
Зв'яжіться з нами! / Запитайте нас!
Література/Список літератури
- Хачатрян А. Х. та ін.: Перетворення графіту в алмаз, індуковане ультразвуковою кавітацією. В: Діамант & Матеріали по темі 17, 2008; Р. 931-936.
- Галімов, Ерік & Кудін, А. & Скоробогацький, В. & Плотніченко В. В. & Бондарєв, О. В. & Зарубін, Б. & Страздовський, В. & Аронін, Олександр & Фізенко, А. В. & Биков, І. В. & Баринов, А.. (2004): Експериментальне підтвердження синтезу алмазу в процесі кавітації. Докладі Фізика – ДОКЛ ФІЗ. 150-153.
- Турченюк, К., Треказці, К., Делеепоянан, К., & Мочалін, В. М. (2016): Ультразвукова дезагрегація наноалмазу за допомогою солі. Прикладні матеріали СКУД & Інтерфейси, 8(38), 25461–25468.
- Басма Х. Аль-Тамімі, Іман І. Джаббар, Хайтам М. Аль-Тамімі (2919): Синтез та характеристика нанокристалічного алмазу з графітових пластівців методом кавітаційно-стимулюваного процесу. Гелійон, том 5, випуск 5. 2019.
- Крюгер А. Структура та реакційна здатність нанорозмірного алмазу. В: J Mater Chem 18, 2008; Р. 1485-1492.
- Liang, Y.: Deagglomerierung und Oberflächenfunktionalisierung von Nanodiamant mittels thermochemischer und mechanochemischer Methoden. Дисертація Юліус-Максиміліан-Вюрцбурзький університет, 2011.
- Осава Е. Монодисперсні одиночні наноалмазні тверді частинки. В: Pure Appl Chem 80/7, 2008; Р. 1365-1379.
- Праматарова Л. та ін.: Перевага полімерних композитів з детонаційними наноалмазними частинками для медичних застосувань. В: Про біоміметику; Р. 298-320.
- Сонце, Л.; Гун, Дж.; Чжу, Д.; Чжу, З.; Він, С.: Алмазні наностержні з вуглецевих нанотрубок. В: Передові матеріали 16/2004. Р. 1849-1853.
- Суслік К.С. Енциклопедія хімічної технології Кірка-Отмера. 4-е видання Дж. & Сини: Нью-Йорк; 26, 1998; Р. 517-541.
- Чіпара А. С. та ін.: Термічні властивості частинок наноалмазу, диспергованих у полістиролі. HESTEC 2010.
- Ель-Сай К. М.: Наноалмази як система доставки ліків: застосування та перспективи. У J Appl Pharm Sci 01/06, 2011; Р. 29-39.
наноалмази – Використання та застосування
Зерна наноалмазу нестабільні через свій дзета-потенціал. Тим самим вони мають високу тенденцію до утворення агрегатів. Поширеним застосуванням наноалмазів є використання в абразивах, ріжучих і полірувальних інструментах і радіаторах. Іншим потенційним застосуванням є застосування наноалмазів як носія ліків для фармацевтичних активних компонентів (пор. Праматарова). Автор Ультразвукове дослідження, по-перше, наноалмази можуть бути синтезовані з графіту, а по-друге, наноалмази, які сильно схильні до агломерації, можуть бути рівномірно Дисперсійні у рідкі середовища (наприклад, для створення полірувального агента).