Nanoolmoslarni ultratovush yordamida sintez qilish

Grafitdan olmosga: yuqori quvvatli ultratovush xona harorati va atmosfera bosimida mikro- va nanokristall olmoslarni sintez qilishning istiqbolli usulini taklif etadi. Kuchli akustik kavitatsiya organik suyuqliklardagi grafit suspenziyalarida olmos hosil boʻlishini taʼminlaydi. Sintezdan tashqari, ultratovush bilan ishlov berish hosil boʻlgan nanoolmoslarni samarali disperslash, deaglomeratsiya qilish va funksionallashtirishga yordam beradi – bu uni ishlab chiqarish va keyingi ishlov berish uchun koʻp qirrali vositaga aylantiradi.

Nanoolmoslarga ishlov berishda ultratovush

Nanoolmoslar (detonatsion olmoslar (DND) yoki ultradispers olmoslar (UDD) deb ham ataladi) uglerod nanomateriallarining oʻziga xos shakli boʻlib, noyob xususiyatlari – kristall panjara tuzilishi, katta sirt yuzasi, shuningdek, noyob optik va magnit xossalari – hamda alohida funksional imkoniyatlari bilan ajralib turadi. Ultradispers zarrachalarning xossalari ushbu materiallarni gʻayrioddiy funksiyalarga ega yangi materiallar yaratish uchun innovatsion birikmalarga aylantiradi. Qur umidagi olmos zarrachalarining oʻlchami taxminan 5nm.

Nanoolmoslarni ultratovush yordamida sintez qilish

Ultratovush bilan ishlov berish yoki detonatsiya kabi kuchli taʼsirlar ostida grafit olmosga aylanishi mumkin.

Ultratovush yordamida sintez qilingan nanoolmoslar

Olmoslarni sintez qilish ilmiy va tijoriy manfaatlar nuqtayi nazaridan muhim tadqiqot yoʻnalishidir. Mikro- va nanokristall olmos zarrachalarini sintez qilishda keng qoʻllaniladigan jarayon yuqori bosim va yuqori harorat (HPHT) usulidir. Ushbu usulda sanoat olmosining jahon taʼminotidagi asosiy qismini ishlab chiqarish uchun talab qilinadigan oʻn minglab atmosfera bosimi va 2000K dan yuqori harorat hosil qilinadi. Grafitni olmosga aylantirish uchun odatda yuqori bosim va yuqori harorat talab etiladi, olmos chiqishini oshirish uchun esa katalizatorlar qoʻllaniladi.
Bunday oʻzgarish uchun zarur sharoitlarni juda samarali hosil qilishda yuqori quvvatli ultratovushdan (= past chastotali, yuqori intensivlikdagi ultratovush) foydalanish mumkin:

Ultratovush kavitatsiyasi

Suyuqliklardagi ultratovush ayrim joylarda oʻta keskin taʼsirlarni yuzaga keltiradi. Suyuqliklarga yuqori intensivlikdagi ultratovush bilan ishlov berilganda, suyuq muhitda tarqaladigan tovush toʻlqinlari chastotaga bogʻliq tezlikda almashinadigan yuqori bosim (siqilish) va past bosim (siyraklashish) sikllarini hosil qiladi. Past bosim sikli davomida yuqori intensivlikdagi ultratovush toʻlqinlari suyuqlikda kichik vakuum pufakchalari yoki boʻshliqlar hosil qiladi. Pufakchalar energiyani boshqa yuta olmaydigan hajmga yetganda, yuqori bosim sikli davomida keskin qulaydi. Bu hodisa kavitatsiya deb ataladi. Ichkariga qulash davomida ayrim joylarda juda yuqori haroratga (taxminan 5 000K) va bosimga (taxminan 2 000atm) erishiladi. Kavitatsiya pufakchasining ichkariga qulashi tezligi 280m/s gacha boʻlgan suyuqlik oqimlarini ham hosil qiladi. (Suslick 1998) Koʻrinib turibdiki, mikro- va nanokristall olmoslar ultratovush kavitatsiyasi maydonida sintez qilinishi mumkin.

Ushbu videoda gaz bilan purkaladigan shkaf ichida oqimda ishlash uchun mo‘ljallangan 2 kilovattli ultratovush tizimini ko‘rsatamiz. Hielscher deyarli barcha sanoat tarmoqlari, jumladan, kimyo, farmatsevtika, kosmetika, neft-kimyo jarayonlari hamda erituvchilar asosidagi ekstraksiya jarayonlari uchun ultratovush uskunalarini yetkazib beradi. Gaz bilan purkaladigan ushbu zanglamaydigan po‘lat shkaf xavfli hududlarda ishlash uchun mo‘ljallangan. Shu maqsadda buyurtmachi yonuvchan gazlar yoki bug‘larning shkaf ichiga kirishiga yo‘l qo‘ymaslik uchun germetik shkafni azot yoki toza havo bilan purkashi mumkin.

Nanoolmoslarni sintez qilishning ultratovushli usuli

Amalda, Khachatryan va boshqalarning (2008) tadqiqoti organik suyuqlikdagi grafit suspenziyasiga atmosfera bosimi va xona haroratida ultratovush bilan ishlov berish orqali ham olmos mikrokristallarini sintez qilish mumkinligini koʻrsatadi. Toʻyingan bugʻ bosimi past va qaynash harorati yuqori boʻlgani uchun kavitatsiya suyuqligi sifatida aromatik oligomerlar tarkibi tanlangan. Ushbu suyuqlikda zarrachalari 100–200 µm oraligʻida boʻlgan maxsus sof grafit kukuni suspenziyalangan. Kachatryan va boshqalarning tajribalarida qattiq modda va suyuqlikning massa nisbati 1:6, kavitatsiya suyuqligining zichligi esa 1,1g cm^-3 25°C da boʻlgan. Sonoreaktordagi maksimal ultratovush intensivligi 75–80W cm^-2 boʻlib, bu tovush bosimining 15–16 bar amplitudasiga mos kelgan.
Grafitning olmosga aylanish darajasi taxminan 10% ga yetgan. Olmoslar deyarli monodispers boʻlib, oʻlchamlari juda tor va puxta belgilangan 6 yoki 9μm ± 0,5μm oraligʻida boʻlgan; ular kubik, kristall morfologiyaga va yuqori soflikka ega boʻlgan.

Ultratovush yordamida sintez qilingan olmoslar (SEM tasvirlari): yuqori quvvatli ultratovush nanoolmoslar sintezini yuzaga keltirish uchun zarur energiyani taʼminlaydi

Ultratovush yordamida sintez qilingan olmoslarning SEM tasvirlari: (a) va (b) rasmlarda 1-namunalar seriyasi, (c) va (d) rasmlarda esa 2-namunalar seriyasi koʻrsatilgan. [Khachatryan et al. 2008]

Ushbu usul bilan ishlab chiqarilgan mikro- va nanoolmoslarning xarajatlari yuqori bosim va yuqori harorat (HPHT) jarayoni bilan raqobatlasha oladigan darajada deb baholanadi. Bu ultratovushni mikro- va nanoolmoslarni sintez qilish uchun innovatsion muqobil usulga aylantiradi (Khachatryan va boshqalar, 2008), ayniqsa, qoʻshimcha tadqiqotlar orqali nanoolmoslarni ishlab chiqarish jarayonini optimallashtirish mumkinligini hisobga olganda. Nanoolmoslarni ultratovush yordamida sintez qilishning eng maqbul sharoitlarini aniqlash uchun amplituda, bosim, harorat, kavitatsiya suyuqligi va konsentratsiya kabi koʻplab parametrlarni aniq tekshirish zarur.
Nanoolmoslarni sintez qilishda erishilgan natijalarga koʻra, ultratovush yordamida hosil qilinadigan kavitatsiya kubik bor nitridi, uglerod nitridi va boshqa muhim birikmalarni sintez qilish imkoniyatini ham taqdim etadi. (Khachatryan va boshqalar, 2008)
Bundan tashqari, ultratovush nurlanishi ostida koʻp devorli uglerod nanonaychalaridan (MWCNTs) olmos nanosimlari va nanotayoqchalarini yaratish mumkinligi taxmin qilinmoqda. Olmos nanosimlari hajmli olmosning bir oʻlchamli analoglaridir. Yuqori elastiklik moduli, mustahkamlikning vaznga nisbati va sirtlarini funksionallashtirishning nisbatan osonligi tufayli olmos nanomexanik konstruksiyalar uchun eng maqbul material deb topilgan. (Sun va boshqalar, 2004)

Nanoolmoslarni ultratovush yordamida disperslash

Yuqorida taʼriflanganidek, nanoolmoslarning noyob xususiyatlaridan muvaffaqiyatli foydalanish uchun deaglomeratsiya va muhitdagi zarrachalar oʻlchamining bir tekis taqsimlanishi zarur.
Disperslash va deaglomeratsiya ultratovush bilan ishlov berilganda ultratovush kavitatsiyasi natijasida yuz beradi. Suyuqliklarga ultratovush taʼsir ettirilganda, suyuqlikda tarqaladigan tovush toʻlqinlari almashinuvchi yuqori va past bosim sikllarini hosil qiladi. Bu alohida zarrachalar oʻrtasidagi tortishish kuchlariga mexanik zoʻriqish taʼsirini koʻrsatadi. Suyuqliklardagi ultratovush kavitatsiyasi tezligi 1000km/hr gacha (taxminan 600mph) boʻlgan yuqori tezlikdagi suyuqlik oqimlarini hosil qiladi. Bunday oqimlar suyuqlikni yuqori bosim ostida zarrachalar orasiga siqib kiritadi va ularni bir-biridan ajratadi. Kichikroq zarrachalar suyuqlik oqimlari bilan tezlashadi va yuqori tezlikda toʻqnashadi. Bu ultratovushni mikron va submikron oʻlchamdagi zarrachalarni disperslash hamda maydalash uchun samarali vositaga aylantiradi.
Masalan, maxsus kompozit olish uchun nanoolmoslarni (oʻrtacha oʻlchami taxminan 4nm) va polistirolni siklogeksanda disperslash mumkin. Chipara va boshqalar (2010) oʻz tadqiqotida nanoolmoslarning massa ulushi 0 dan 25% gacha boʻlgan polistirol va nanoolmos kompozitlarini tayyorlagan. Bir tekis dispersiya olish uchun ular eritmaga Hielscher kompaniyasining 1000 vatt quvvatli UIP1000hd modelidagi ultratovush qurilmasi bilan 60 min davomida ultratovush bilan ishlov bergan.
Nanoolmoslarni ultratovush yordamida deagregatsiya qilish haqida koʻproq bilib oling!

Nanoolmoslarni ultratovush koʻmagida funksionallashtirish

Har bir nanooʻlchamdagi zarrachaning butun sirtini funksionallashtirish uchun zarracha sirti kimyoviy reaksiyaga kirisha olishi kerak. Bu bir tekis va mayin dispersiya zarurligini anglatadi, chunki yaxshi disperslangan zarrachalar ularning sirtiga tortilgan molekulalarning chegaraviy qatlami bilan oʻralgan boʻladi. Nanoolmoslar sirtiga yangi funksional guruhlarni kiritish uchun ushbu chegaraviy qatlamni buzish yoki olib tashlash kerak. Chegaraviy qatlamni buzish va olib tashlash jarayonini ultratovush yordamida amalga oshirish mumkin.
Suyuqlikka kiritilgan ultratovush kavitatsiya, ayrim joylarda 2000K gacha boʻlgan juda yuqori harorat va tezligi 1000km/hr gacha boʻlgan suyuqlik oqimlari kabi turli keskin taʼsirlarni hosil qiladi. (Suslick 1998) Ushbu zoʻriqish omillari yordamida tortishish kuchlarini (masalan, Van-der-Vaals kuchlarini) yengish mumkin va funksional molekulalar zarracha sirtini, masalan, nanoolmoslar sirtini funksionallashtirish uchun unga olib boriladi.

Kuchli ultratovush nurlanishi ostida (masalan, Hielscher kompaniyasining UIP2000hdT qurilmasi bilan) nanoolmoslarni samarali sintez qilish, deaglomeratsiya qilish va funksionallashtirish mumkin boʻladi.

1-sxema: Nanoolmoslarning in situ deaglomeratsiyasi va sirtini funksionallashtirish tasviri (Liang 2011)

Donachalar koʻmagida tovush bilan parchalash (BASD) ishlovi oʻtkazilgan tajribalar nanoolmoslar sirtini funksionallashtirish uchun ham istiqbolli natijalarni koʻrsatgan. Bunda donachalar (masalan, ZrO2 donachalari kabi mikrooʻlchamdagi keramik donachalar) ultratovushning kavitatsion kuchlarining nanoolmos zarrachalariga taʼsirini kuchaytirish uchun ishlatilgan. Deaglomeratsiya nanoolmos zarrachalari va ZrO₂ donachalari oʻrtasidagi zarrachalararo toʻqnashuv tufayli yuz beradi.
Zarrachalar sirtiga kirish imkoniyati yaxshilanishi tufayli boran bilan qaytarish, arillash yoki silanlash kabi kimyoviy reaksiyalar uchun disperslash maqsadida ultratovush yoki BASD (donachalar koʻmagida tovush bilan parchalash) yordamida dastlabki ishlov berish qatʼiy tavsiya etiladi. Ultratovush yordamida disperslash va deaglomeratsiya qilish orqali kimyoviy reaksiya ancha toʻliq kechishi mumkin.

Biz bilan bogʻlaning! / Bizdan soʻrang!

Tegishli mavzular

Adabiyotlar/Manbalar

Khachatryan, A. Kh. va boshqalar: Ultratovush kavitatsiyasi taʼsirida grafitning olmosga aylanishi. Manba: Diamond & Related Materials 17, 2008; 931–936-betlar.
Galimov, Erik & Kudin, A. & Skorobogatskii, V. & Plotnichenko, V. & Bondarev, O. & Zarubin, B. & Strazdovskii, V. & Aronin, Alexandr & Fisenko, A. & Bykov, I. & Barinov, A.. (2004): Kavitatsiya jarayonida olmos sintezining tajribaviy tasdigʻi. Doklady Physics – DOKL PHYS. 49. 150–153.
Turcheniuk, K., Trecazzi, C., Deeleepojananan, C., & Mochalin, V. N. (2016): Nanoolmosni tuz koʻmagida ultratovush yordamida deagregatsiya qilish. ACS Applied Materials & Interfaces, 8(38), 25461–25468.
Basma H. Al-Tamimi, Iman I. Jabbar, Haitham M. Al-Tamimi (2919): Kavitatsiya bilan jadallashtirilgan jarayon orqali grafit tangachalaridan nanokristall olmos sintezi va uning xususiyatlarini aniqlash. Heliyon, 5-jild, 5-son. 2019.
Krueger, A.: Nanooʻlchamdagi olmosning tuzilishi va reaksion qobiliyati. Manba: J Mater Chem 18, 2008; 1485–1492-betlar.
Liang, Y.: Termokimyoviy va mexanokimyoviy usullar yordamida nanoolmosni deaglomeratsiya qilish va sirtini funksionallashtirish. Dissertatsiya, Julius-Maximilian-Universität Würzburg 2011.
Osawa, E.: Monodispers yakka nanoolmos zarrachalari. Manba: Pure Appl Chem 80/7, 2008; 1365–1379-betlar.
Pramatarova, L. va boshqalar: Tibbiy qoʻllanishlar uchun detonatsion nanoolmos zarrachali polimer kompozitlarning afzalligi. Manba: On Biomimetics; 298–320-betlar.
Sun, L.; Gong, J.; Zhu, D.; Zhu, Z.; He, S.: Uglerod nanonaychalaridan olmos nanotayoqchalari. Manba: Advanced Materials 16/2004. 1849–1853-betlar.
Suslick, K.S.: Kirk-Othmer kimyoviy texnologiya ensiklopediyasi. 4-nashr. J. Wiley & Sons: New York; 26, 1998; 517–541-betlar.
Chipara, A. C. va boshqalar: Polistirolda disperslangan nanoolmos zarrachalarining issiqlik xossalari. HESTEC 2010.
El-Say, K. M.: Nanoolmoslar dori yetkazib berish tizimi sifatida: qoʻllanishi va istiqbollari. Manba: J Appl Pharm Sci 01/06, 2011; 29–39-betlar.

Nanoolmoslar – foydalanish va qoʻllanish sohalari

Nanoolmos donalari zeta-potensiali tufayli beqaror. Shu sababli ular agregatlar hosil qilishga juda moyil. Nanoolmoslarning keng tarqalgan qoʻllanishi abrazivlar, kesish va jilolash asboblari hamda issiqlikni chiqarib yuboruvchi qurilmalarda foydalanishdir. Yana bir ehtimoliy qoʻllanishi nanoolmoslardan farmatsevtik faol komponentlar uchun dori tashuvchisi sifatida foydalanishdir (qarang: Pramatarova). Ultratovush bilan ishlov berish orqali, birinchidan, grafitdan nanoolmoslarni sintez qilish mumkin, ikkinchidan esa, aglomeratsiyaga juda moyil nanoolmoslarni suyuq muhitlarda bir tekis disperslash mumkin (masalan, jilolash vositasini tayyorlash uchun).