• Завдяки своїй інтенсивній кавітаційній силі, ультразвук потужності є перспективною технікою для отримання мікро- та нанорозмірних діамантів з графіту.
• Мікро- та нанокристалічні алмази можуть бути синтезовані шляхом сонікації суспензії графіту в органічній рідині при атмосферному тиску та кімнатній температурі.
• Ультразвук також є корисним інструментом для пост-обробки синтезованих наноалмазів, оскільки ультразвукове розсіювання, деагломерати та функціоналізація наночастинок дуже ефективні.

Ультразвукова терапія для лікування наноалмазами

Наноалмази (також називаються детонаційними алмазами (DND) або ультрадисперсними алмазами (UDD)) - це особлива форма вуглецевих наноматеріалів, що відрізняються унікальними характеристиками, такими як його решітка структура, її велика поверхня, а також унікальний оптичний і магнітний властивості - і виняткові застосування. Властивості наддисперсних частинок роблять ці матеріали інноваційними сполуками для створення нових матеріалів з надзвичайними функціями. Розмір частинок алмазу в сажі становить близько 5 нм.

Під сильними силами, такими як ультразвукова обробка або детонація, графіт може бути перетворений в алмаз.

Ультразвучно синтезовані наноалмази

Синтез алмазів є важливим напрямком досліджень, що стосується наукових та комерційних інтересів. Найпоширенішим способом синтезу мікрокристалічних та нанокристалічних алмазних часток є високотемпературна високотемпературна технологія (HPHT). За допомогою цього методу створюється необхідний технологічний тиск в десятках тисяч атмосфер і температур понад 2000 Кт для виробництва основної частини світової пропозиції промислового алмазу. Для перетворення графіту в алмаз загалом потрібні високі тиски і високі температури, а каталізатори використовуються для збільшення виходу алмазу.
Ці вимоги, необхідні для перетворення, можуть бути сформовані дуже ефективно за допомогою Ультразвукове випромінювання (= низька частота, УЗД високої інтенсивності):

ультразвукова кавітація

Ультразвук у рідинах викликає локально дуже екстремальні ефекти. При звукоізолюючій рідині при високій інтенсивності звукові хвилі, які поширюються в рідкі середовища, приводять до чергових циклів високого тиску (стиснення) і низького тиску (розрідження) з частотою залежно від частоти. Під час циклу низького тиску ультразвукові хвилі високої інтенсивності утворюють у рідині невеликі вакуумні бульбашки або порожнини. Коли бульбашки досягають об'єму, на якому вони більше не можуть поглинати енергію, вони сильно колапсуються під час циклу високого тиску. Це явище називається кавітація. Під час імплозії дуже високі температури (близько 5000 K) і тисків (приблизно 2000 атм) досягаються локально. Вплив кавітаційного міхура також призводить до утворення рідких струменів до швидкості 280 м / с. (Suslick 1998) Очевидно, що мікро- та нанокристалічний алмази можуть бути синтезовані в області ультразвуку кавітація.

Ультразвукова процедура для синтезу наноалмазів

Де-факто, дослідження Хачатряна та співавт. (2008) показує, що мікрокристали алмазів також можна синтезувати шляхом ультразвукового дослідження суспензії графіту в органічній рідині при атмосферному тиску та кімнатній температурі. Як кавітаційна рідина, формула ароматичних олігомерів була обрана через низький тиск насичених парів та високу температуру кипіння. У цій рідині є спеціальний чистий графітний порошок – з частинками в діапазоні між 100-200 мкм - була призупинена. В експериментах Качатряна та співавт. Масове співвідношення твердої рідини становило 1: 6, щільність кавітаційної рідини становила 1,1 г см^-3 при 25 ° С. Максимальна інтенсивність ультразвуку в сонореакторе становила 75-80 Вт см^-2 що відповідає амплітуді звукового тиску 15-16 бар.
Було досягнуто приблизно 10% перетворення графіту на алмаз. Бриллиантів було майже монодисперсний з дуже гострим, добре оформленим розміром в діапазоні 6 або 9μm ± 0,5μm, з кубічним, кристалічний морфологія і висока чистота.

SEM зображень алмазів із ультразвуковим синтезом: на рисунках (а) та (b) показані зразки серії 1, (с) та (г) зразка серії 2. [Хачатрян та інші. 2008 р.]

в витрати мікро- та наноалмазів, вироблених за цим методом, оцінюється як конкурентоспроможний з процесом високого тиску високої температури (HPHT). Це робить ультразвук інноваційною альтернативою для синтезу мікро- і нано-діамантів (Хачатрян та ін., 2008), особливо тому, що процес виробництва наноалмазів може бути оптимізований шляхом подальших досліджень. Багато параметрів, така амплітуда, тиск, температура, кавітаційна рідина та концентрація повинні бути точно досліджені, щоб виявити солодке місце синтезу ультразвукових наноалмаз.
За результатами, отриманими при синтезі наноалмазів, подальше утворення ультразвуку кавітація пропонує потенціал для синтезу інших важливих сполук, таких як кубічний нітрид бору, нітриду вуглецю тощо (Khachatryan et al., 2008)
Крім того, з ультразвуковим випромінюванням, можливо, створити алмазні нанопроволоки та нанопороги з багатошарових вуглецевих нанотрубок (MWCNTs). Ланцюжки з діамантами є одномірними аналогами об'ємного алмазу. Завдяки високому модулю пружності, співвідношення міцності і маси та відносній легкості, з якою його поверхня може бути функціоналізована, діамант вважається оптимальним матеріалом для наномеханічних конструкцій. (Sun та ін., 2004)

Ультразвукове диспергування наноалмазів

Як вже було описано, деаггломерація та розподіл рівнів частинок у середовищі є основою для успішної експлуатації унікальних характеристик наноалмазів.
дисперсія і деагломерація за допомогою ультразвуку є результатом ультразвукового дослідження кавітація. Під час впливу рідини на ультразвук звукові хвилі, які потрапляють у рідину, приводять до чергування циклів високого тиску та низького тиску. Це призводить до механічного навантаження на сили притягання між окремими частинками. Ультразвукова кавітація у рідинах викликає високошвидкісні рідкі струми до 1000 км / год (близько 600 миль / год). Такі струменя прессують рідину при високому тиску між частинками і відокремлюють їх один від одного. Менші частки прискорюються рідкими струменями і стикаються на великих швидкостях. Це робить ультразвук ефективним засобом для розсіювання, а також для фрезерування мікронного розміру часток і суб мікронного розміру.
Наприклад, наноалмази (середній розмір близько 4 нм) і полістирол можуть бути дисперговані в циклогексані для одержання спеціального композиту. У своєму дослідженні Чипара та співавт. (2010 р.) Підготували композити з полістиролу та наноалмазів, що містять наноалмази в діапазоні від 0 до 25% маси. Щоб отримати рівний дисперсія, вони ультразвуком вирішили протягом 60 хв з Гілешером UIP1000hd (1кВт).

Ультразвукова допоміжна функціоналізація наноалмазів

Для функціоналізації повної поверхні кожного нанорозмірного частинки поверхня частинки повинна бути доступною для хімічної реакції. Це означає, що потрібна рівна і тонка дисперсія, оскільки добре дисперсні частинки оточені граничним шаром молекул, притягнутих до поверхні частинки. Щоб отримати нові функціональні групи до поверхні наноалмазів, цей крайовий шар повинен бути порушений або видалений. Цей процес перерви і видалення прикордонного шару можна виконувати за допомогою ультразвуку.
Ультразвук, введений у рідину, генерує різні екстремальні ефекти, такі як кавітація, локально дуже висока температура до 2000 К і рідких струменів до 1000 км / год. (Suslic 1998). Ці фактори стресу можуть подолати сили притягання (наприклад, ван-дер-ваальсові сили), а функціональні молекули переносяться на поверхню частинки, щоб функціонувати, наприклад поверхню наноалмазів.

Схема 1: Графік деггломерації in situ і поверхнева функціоналізація наноалмазів (Liang 2011)

Експерименти з методом розщеплення з допомогою гранулометричного дезінтеграції (BASD) показали багатообіцяючі результати для поверхневої функціоналізації наноалмазів. Таким чином, бусини (наприклад, мікро розміром керамічні кульки, такі як гранули ZrO2) були використані для забезпечення застосування ультразвукового Кавітаційний сила на частинки наноалмаза. Деагломерація відбувається внаслідок міжчастинкового зіткнення частинок наноалмаза та ZrO₂ бусини
Через кращу доступність поверхні частинок, для хімічних реакцій, таких як редукція, арілювання або силанізація борана, рекомендується попередня обробка ультразвуковим методом або BASD (з використанням звукоізоляції з гранулами) для диспергування. За допомогою ультразвукового Розсіювання і деагломерація хімічна реакція може протікати набагато повніше.