Kim cương nano được phân tán trong huyền phù nước bằng siêu âm

Có thể điều chế hệ phân tán kim cương nano nhanh chóng và hiệu quả bằng các thiết bị siêu âm Hielscher. Trong huyền phù nước, quá trình phá vỡ kết tập bằng siêu âm bảo đảm phân rã các khối kết tập một cách đáng tin cậy và hình thành các hệ keo ổn định. Khi kết hợp với việc bổ sung muối đơn giản để điều chỉnh pH, phương pháp này mang lại một cách tiếp cận dễ thực hiện, ít tốn kém và không gây nhiễm tạp chất. Nhờ khả năng mở rộng quy mô và cách triển khai đơn giản, phân tán bằng siêu âm rất phù hợp không chỉ cho nghiên cứu trong phòng thí nghiệm mà còn cho xử lý kim cương nano ở quy mô công nghiệp.

Phá vỡ kết tập kim cương nano hiệu quả và không gây nhiễm tạp chất

Kim cương nano ngày càng được ứng dụng trong y sinh học, công nghệ lượng tử, ma sát học và vật liệu composite tiên tiến, nhưng xu hướng vốn có của chúng là tạo thành các khối kết tập cứng thường hạn chế hiệu quả sử dụng. Vì vậy, việc tạo được các hệ keo ổn định gồm các hạt riêng rẽ là điều kiện tiên quyết để xác định chính xác đặc tính và ứng dụng một cách đáng tin cậy. Các phương pháp phá vỡ kết tập thông thường thường dựa vào các kỹ thuật nghiền mạnh, đưa zirconia hoặc các tạp chất khác vào sản phẩm, làm phức tạp quá trình tinh sạch và hạn chế việc sử dụng trong y sinh học. Phân tán bằng siêu âm mang lại một giải pháp thay thế nhanh chóng, có khả năng mở rộng quy mô và không gây nhiễm tạp chất. Bằng cách sử dụng hiện tượng xâm thực âm trong môi trường nước, các thiết bị siêu âm dạng đầu dò phá vỡ hiệu quả các khối kết tập thành các hạt kim cương nano có kích thước nanomet ở mức một chữ số. Khi kết hợp với việc điều chỉnh pH đơn giản có hỗ trợ của muối, phương pháp này tạo ra các hệ keo ổn định trong một khoảng pH rộng mà không đưa vào các sản phẩm phụ độc hại, khiến phương pháp này rất hấp dẫn đối với cả nghiên cứu trong phòng thí nghiệm lẫn sản xuất ở quy mô công nghiệp.

Kim cương nano có thể được phân tán hiệu quả và đáng tin cậy bằng các thiết bị siêu âm Hielscher.

Quá trình nghiền và phân tán kim cương nano bằng siêu âm hoạt động như thế nào?

Quá trình phân tán bằng siêu âm sử dụng chính các hạt kim cương nano làm vật liệu nghiền. Hiện tượng xâm thực âm do sóng siêu âm công suất cao tạo ra gây nên các dòng chất lỏng tốc độ cao. Các dòng chất lỏng này gia tốc các hạt (ví dụ: kim cương) trong huyền phù để các hạt va chạm với tốc độ lên đến 280km/s và vỡ thành các hạt cực nhỏ có kích thước nano. Nhờ đó, nghiền và phân tán bằng siêu âm trở thành một kỹ thuật dễ thực hiện, ít tốn kém và không gây nhiễm tạp chất, có khả năng phân rã đáng tin cậy các khối kết tụ kim cương nano thành các hạt kích thước nano ổn định trong dung dịch keo nước trong một khoảng pH rộng. Muối (natri clorua) được sử dụng để ổn định kim cương nano trong huyền phù nước.

 

 
Tìm hiểu thêm về phá vỡ kết tập kim cương nano bằng siêu âm để chuẩn bị mẫu trước phân tích!
 

Nghiền kim cương nano bằng siêu âm vượt trội so với máy nghiền bi

Các thiết bị siêu âm dạng đầu dò là những máy nghiền có hiệu quả cao và là một kỹ thuật nghiền đã được ứng dụng rộng rãi để sản xuất huyền phù kim cương nano với sản lượng lớn ở quy mô công nghiệp. Do các máy nghiền siêu âm sử dụng chính kim cương nano làm vật liệu nghiền, hiện tượng nhiễm bẩn do vật liệu nghiền, chẳng hạn từ bi zirconia, được tránh hoàn toàn. Thay vào đó, các lực xâm thực siêu âm gia tốc các hạt, khiến các hạt kim cương nano va chạm mạnh với nhau và vỡ thành các hạt có kích thước nano đồng đều. Sự va chạm giữa các hạt do siêu âm gây ra này là một phương pháp hiệu quả cao và đáng tin cậy để sản xuất các hệ phân tán nano phân bố đồng đều.
Phương pháp phân tán và phá kết tụ bằng siêu âm sử dụng các chất phụ gia tan trong nước, không độc hại và không gây nhiễm bẩn như natri clorua hoặc sucrose để điều chỉnh pH và ổn định hệ phân tán bằng siêu âm. Các cấu trúc tinh thể natri clorua hoặc sucrose này còn đóng vai trò là vật liệu nghiền, qua đó hỗ trợ quá trình nghiền siêu âm. Khi quá trình nghiền hoàn tất, các chất phụ gia này có thể dễ dàng được loại bỏ chỉ bằng cách rửa với nước, một ưu điểm đáng kể so với quy trình sử dụng bi gốm. Các phương pháp nghiền bi truyền thống, chẳng hạn nghiền bằng máy nghiền khuấy, sử dụng vật liệu nghiền bằng gốm không tan (ví dụ: viên bi, hạt hoặc hạt dạng ngọc), có các mảnh vụn do mài mòn gây nhiễm bẩn hệ phân tán cuối cùng. Việc loại bỏ tạp chất do vật liệu nghiền gây ra đòi hỏi các công đoạn xử lý sau nghiền phức tạp, vừa tốn thời gian vừa tốn kém.

Công nghệ phân tán bằng siêu âm tạo ra hiệu quả các huyền phù kim cương nano trong nước có phân bố kích thước hạt hẹp.
(Nghiên cứu và hình minh họa: ©Turcheniuk et al., 2016)

Quy trình minh họa cho việc phân tán kim cương nano bằng siêu âm

Phá kết tụ kim cương nano trong nước bằng siêu âm có hỗ trợ muối:
Hỗn hợp gồm 10 g natri clorua và 0,250 g bột kim cương nano được nghiền sơ bằng tay bằng cối và chày sứ, rồi cho vào lọ thủy tinh 20 mL cùng với 5 mL nước khử ion. Mẫu đã chuẩn bị được xử lý bằng thiết bị siêu âm dạng đầu dò trong 100 min ở mức công suất đầu ra 60% và chu kỳ làm việc 50%. Sau khi xử lý siêu âm, mẫu được chia đều vào hai ống ly tâm Falcon bằng nhựa dung tích 50 mL và phân tán trong nước cất đến tổng thể tích 100 mL (2 × 50 mL). Sau đó, mỗi mẫu được ly tâm bằng máy ly tâm Eppendorf 5810-R ở 4000 rpm và 25°C trong 10 min, rồi loại bỏ dịch nổi trong. Các kết tủa ND ướt sau đó được phân tán lại trong nước cất (tổng thể tích 100 mL) và ly tâm lần thứ hai ở 12.000 rpm và 25 °C trong 1 h. Dịch nổi trong lại được loại bỏ và các kết tủa kim cương nano ướt được phân tán lại, lần này trong 5 mL nước cất để xác định đặc tính. Phép thử AgNO3 tiêu chuẩn cho thấy hoàn toàn không có Cl⁻ trong kim cương nano đã được phá kết tụ bằng siêu âm có hỗ trợ muối và rửa hai lần bằng nước cất như mô tả ở trên. Sau khi cho nước bay hơi khỏi các mẫu, quan sát thấy sự hình thành các “mảnh” kim cương nano rắn màu đen với lượng thu được ∼200 mg, tương đương 80% khối lượng kim cương nano ban đầu. (xem hình bên dưới)
(xem Turcheniuk et al., 2016)

Mẫu đã làm khô của kim cương nano được phân tán bằng siêu âm.
(Nghiên cứu và hình minh họa: ©Turcheniuk et al., 2016)

Thiết bị siêu âm hiệu suất cao cho các hệ phân tán kim cương nano

Hielscher Ultrasonics thiết kế, sản xuất và phân phối thiết bị nghiền và phân tán siêu âm hiệu suất cao cho các ứng dụng công suất lớn như sản xuất huyền phù kim cương nano, vật liệu đánh bóng và vật liệu composite nano. Các máy siêu âm Hielscher được sử dụng trên toàn thế giới để phân tán vật liệu nano vào huyền phù keo trong nước, polyme, nhựa, lớp phủ và các vật liệu hiệu suất cao khác.
Các máy phân tán siêu âm Hielscher xử lý vật liệu có độ nhớt từ thấp đến cao một cách tin cậy và hiệu quả. Tùy thuộc vào nguyên liệu đầu vào và kích thước hạt cuối cùng mong muốn, cường độ siêu âm có thể được điều chỉnh chính xác để đạt kết quả xử lý tối ưu.
Để xử lý vật liệu dạng nhão có độ nhớt cao, vật liệu nano và vật liệu có nồng độ chất rắn cao, máy phân tán siêu âm phải có khả năng tạo ra biên độ cao liên tục. Các thiết bị xử lý siêu âm công nghiệp của Hielscher Ultrasonics có thể cung cấp biên độ rất cao khi vận hành liên tục ở toàn tải. Có thể dễ dàng duy trì biên độ lên đến 200µm khi vận hành 24/7. Khả năng vận hành máy phân tán siêu âm ở biên độ cao và điều chỉnh biên độ chính xác là cần thiết để điều chỉnh các điều kiện xử lý siêu âm nhằm tạo ra công thức tối ưu cho huyền phù nano có hàm lượng chất rắn cao, hỗn hợp polyme gia cường bằng vật liệu nano và vật liệu composite nano.
Bên cạnh biên độ siêu âm, áp suất là một thông số xử lý rất quan trọng khác. Ở áp suất cao, cường độ xâm thực siêu âm và lực cắt do hiện tượng này tạo ra được tăng cường. Các thiết bị phản ứng siêu âm của Hielscher có thể được tăng áp, nhờ đó tăng cường hiệu quả xử lý siêu âm.
Giám sát quá trình và ghi dữ liệu có vai trò quan trọng đối với việc liên tục chuẩn hóa quá trình và chất lượng sản phẩm. Các cảm biến áp suất và nhiệt độ dạng cắm được nối dây với bộ phát siêu âm để giám sát và điều khiển quá trình phân tán siêu âm. Tất cả các thông số xử lý quan trọng như năng lượng siêu âm (thuần + tổng), nhiệt độ, áp suất và thời gian đều được tự động ghi lại và lưu vào thẻ SD tích hợp. Bằng cách truy cập dữ liệu quá trình được ghi tự động, bạn có thể xem lại các lần xử lý siêu âm trước đó và đánh giá kết quả xử lý.
Một tính năng thân thiện với người dùng khác là điều khiển từ xa qua trình duyệt đối với các hệ thống siêu âm kỹ thuật số của chúng tôi. Thông qua chức năng điều khiển từ xa qua trình duyệt, bạn có thể khởi động, dừng, điều chỉnh và giám sát thiết bị xử lý siêu âm của mình từ bất kỳ đâu.
Hãy liên hệ với chúng tôi ngay để tìm hiểu thêm về các máy đồng hóa siêu âm hiệu suất cao dùng cho nghiền và phân tán nano!
Bảng dưới đây cho biết năng lực xử lý gần đúng của các máy siêu âm của chúng tôi: