Ультразвуковий синтез нанодіамантів

Від графіту до діаманту: потужний ультразвук відкриває перспективний шлях до синтезу мікро- та нанокристалічних діамантів при кімнатній температурі та атмосферному тиску. Інтенсивна акустична кавітація забезпечує утворення діамантів у суспензіях графіту в органічних рідинах. Окрім синтезу, ультразвукова обробка забезпечує ефективне диспергування, деагломерацію та функціоналізацію отриманих нанодіамантів – що робить її універсальним інструментом як для виробництва, так і для постобробки.

Ультразвук для обробки нанодіамантів

Нанодіаманти (також відомі як детонаційні діаманти (DND) або ультрадисперсні діаманти (UDD)) є спеціальною формою вуглецевих наноматеріалів, що вирізняються унікальними характеристиками – такими як їхня ґраткова структура, велика поверхня, а також унікальні оптичні та магнітні властивості – і винятковими функціональними можливостями. Властивості ультрадисперсних частинок роблять ці матеріали інноваційними сполуками для створення нових матеріалів із надзвичайними функціями. Розмір діамантових частинок у сажі становить близько 5nm.

Нанодіаманти, синтезовані за допомогою ультразвуку

Синтез діамантів є важливою дослідницькою сферою з наукової та комерційної точки зору. Загальноприйнятим процесом синтезу мікрокристалічних та нанокристалічних діамантових частинок є метод високого тиску та високої температури (HPHT). За допомогою цього методу генерується необхідний процесний тиск у десятки тисяч атмосфер та температури понад 2000K, що дозволяє виробляти основну частину світового постачання промислових діамантів. Для перетворення графіту на діамант, як правило, потрібні високі тиски та високі температури, а також використовуються каталізатори для збільшення виходу діаманту.
Ці вимоги, необхідні для перетворення, можна дуже ефективно забезпечити за допомогою потужного ультразвуку (= низькочастотного, високоінтенсивного ультразвуку):

Ультразвукова кавітація

Ультразвук у рідинах спричиняє локально дуже екстремальні ефекти. При ультразвуковій обробці рідин із високою інтенсивністю звукові хвилі, що поширюються в рідкому середовищі, створюють чергування циклів високого тиску (стиснення) та низького тиску (розрідження) з частотою, що залежить від частоти хвилі. Під час циклу низького тиску високоінтенсивні ультразвукові хвилі створюють у рідині маленькі вакуумні бульбашки або порожнини. Коли бульбашки досягають об’єму, за якого вони більше не можуть поглинати енергію, вони різко колапсують під час циклу високого тиску. Це явище називається кавітацією. Під час імплозії локально досягаються дуже високі температури (прибл. 5 000K) та тиски (прибл. 2 000atm). Імплозія кавітаційної бульбашки також призводить до утворення рідинних струменів зі швидкістю до 280m/s. (Suslick 1998) Очевидно, що мікро- та нанокристалічні діаманти можуть бути синтезовані в зоні ультразвукової кавітації.

У цьому відео ми показуємо ультразвукову систему потужністю 2 кіловати для роботи в потоці, розміщену в шафі з продуванням. Hielscher постачає ультразвукове обладнання практично для всіх галузей, зокрема хімічної, фармацевтичної та косметичної промисловості, нафтохімічних процесів, а також процесів екстракції розчинниками. Цю шафу з нержавіючої сталі з продуванням призначено для роботи у вибухонебезпечних зонах. Для цього замовник може продувати герметичну шафу азотом або свіжим повітрям, щоб запобігти потраплянню всередину легкозаймистих газів або парів.

Ультразвукова процедура для синтезу нанодіамантів

Фактично, дослідження Khachatryan et al. (2008) показує, що діамантові мікрокристали також можуть бути синтезовані за допомогою ультразвукової обробки суспензії графіту в органічній рідині при атмосферному тиску та кімнатній температурі. Як кавітаційну рідину було обрано формулу ароматичних олігомерів через її низький тиск насиченої пари та високу температуру кипіння. У цій рідині було суспендовано спеціальний чистий графітовий порошок – з частинками в діапазоні між 100-200 µm – . У експериментах Kachatryan et al. масове співвідношення тверда фаза-рідина становило 1:6, густина кавітаційної рідини була 1,1g cm^-3 при 25°C. Максимальна ультразвукова інтенсивність у сонореакторі становила 75-80W cm^-2 що відповідає амплітуді звукового тиску 15-16 bar.
Було досягнуто приблизно 10% конверсії графіту в діамант. Діаманти були майже монодисперсними з дуже чітко визначеним, добре заданим розміром у діапазоні 6 або 9μm ± 0,5μm, з кубічною, кристалічною морфологією та високою чистотою.

За оцінками, вартість мікро- та наноалмазів, вироблених цим методом, є конкурентоспроможною порівняно 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 можна оптимізувати шляхом подальших досліджень. Багато параметрів, як-от амплітуда, тиск, температура, кавітаційна рідина та концентрація, необхідно ретельно дослідити, щоб знайти оптимальні умови ультразвукового синтезу наноалмазів.
З огляду на результати, досягнуті під час синтезу наноалмазів, спричинена ультразвуком кавітація також відкриває можливості для синтезу інших важливих сполук, таких як кубічний нітрид бору, нітрид вуглецю тощо. (Khachatryan et al. 2008)
Крім того, видається можливим створювати алмазні нанодроти та нанострижні з багатостінних вуглецевих нанотрубок (MWCNTs) під дією ультразвукового опромінення. Алмазні нанодроти є одновимірними аналогами об’ємного алмазу. Завдяки високому модулю пружності, співвідношенню міцності до ваги та відносній легкості функціоналізації його поверхонь алмаз визнано оптимальним матеріалом для наномеханічних конструкцій. (Sun et al. 2004)

Ультразвукове диспергування наноалмазів

Як уже зазначалося, деагломерація та рівномірний розподіл частинок за розмірами в середовищі є необхідними умовами успішного використання унікальних властивостей наноалмазів.
Диспергування та деагломерація за допомогою ультразвукової обробки є результатом ультразвукової кавітації. Під час впливу ультразвуку на рідини звукові хвилі, що поширюються в рідині, спричиняють чергування циклів високого та низького тиску. Це створює механічне навантаження, яке протидіє силам притягання між окремими частинками. Ультразвукова кавітація в рідинах спричиняє утворення високошвидкісних струменів рідини зі швидкістю до 1000km/hr (прибл. 600mph). Такі струмені нагнітають рідину під високим тиском між частинками та відокремлюють їх одну від одної. Дрібніші частинки прискорюються струменями рідини та зіштовхуються на високих швидкостях. Це робить ультразвук ефективним засобом диспергування, а також подрібнення частинок мікронного та субмікронного розмірів.
Наприклад, наноалмази (із середнім розміром близько 4nm) і полістирол можна диспергувати в циклогексані для отримання спеціального композиту. У своєму дослідженні Chipara et al. (2010) приготували композити з полістиролу та наноалмазів із масовим вмістом наноалмазів від 0 до 25%. Для отримання рівномірної дисперсії вони обробляли розчин ультразвуком протягом 60 хв за допомогою ультразвукового пристрою Hielscher моделі UIP1000hd потужністю 1000 ватів.
Дізнайтеся більше про ультразвукову деагрегацію наноалмазів!

Функціоналізація наноалмазів за допомогою ультразвуку

Для функціоналізації всієї поверхні кожної нанорозмірної частинки її поверхня має бути доступною для хімічної реакції. Це означає, що потрібна рівномірна тонкодисперсна дисперсія, оскільки добре дисперговані частинки оточені граничним шаром молекул, які притягуються до поверхні частинки. Щоб приєднати нові функціональні групи до поверхні наноалмазів, цей граничний шар необхідно зруйнувати або видалити. Процес руйнування та видалення граничного шару можна здійснити за допомогою ультразвуку.
Ультразвук, уведений у рідину, спричиняє різноманітні екстремальні ефекти, такі як кавітація, локально дуже висока температура до 2000K та струмені рідини зі швидкістю до 1000km/hr. (Suslick 1998) Завдяки цим чинникам навантаження можна подолати сили притягання (наприклад, сили Ван-дер-Ваальса), а функціональні молекули переносяться до поверхні частинки для функціоналізації, наприклад, поверхні наноалмазів.

Експерименти з обробкою за допомогою бад-асистованої сонодизинтеграції (BASD) також показали перспективні результати для поверхневої функціоналізації наноалмазів. При цьому використовувалися кульки (наприклад, мікророзмірні керамічні кульки, такі як кульки ZrO2), щоб посилити ультразвукові кавітаційні сили, що діють на частинки наноалмазів. Деагломерація відбувається внаслідок міжчастинкового зіткнення між частинками наноалмазів та кульками ZrO₂ .
Через кращу доступність поверхні частинок для хімічних реакцій, таких як редукція бораном, арилювання або силанізація, ультразвукова або BASD (бад-асистована сонодизинтеграція) попередня обробка для диспергування є вкрай рекомендованою. За допомогою ультразвукового диспергування та деагломерації хімічна реакція може протікати значно повніше.