Tổng hợp kim cương nano bằng siêu âm

Từ graphit đến kim cương: siêu âm công suất mang đến một hướng đi đầy hứa hẹn để tổng hợp kim cương vi tinh thể và nano tinh thể ở nhiệt độ phòng và áp suất khí quyển. Hiện tượng xâm thực âm mạnh cho phép hình thành kim cương trong huyền phù graphit trong chất lỏng hữu cơ. Ngoài quá trình tổng hợp, xử lý bằng siêu âm còn hỗ trợ phân tán, phá kết tụ và chức năng hóa hiệu quả kim cương nano thu được – khiến siêu âm trở thành một công cụ đa năng cho cả sản xuất và xử lý sau tổng hợp.

Siêu âm trong xử lý kim cương nano

Kim cương nano (còn gọi là kim cương kích nổ (DND) hoặc kim cương siêu phân tán (UDD)) là một dạng vật liệu nano cacbon đặc biệt, nổi bật với những đặc điểm độc đáo – như cấu trúc mạng tinh thể, diện tích bề mặt lớn, cùng các tính chất quang học và từ tính độc đáo – và những chức năng vượt trội. Các tính chất của hạt siêu phân tán khiến những vật liệu này trở thành các hợp chất mang tính đổi mới để tạo ra những vật liệu mới có chức năng phi thường. Kích thước của các hạt kim cương trong muội than là khoảng 5nm.

Dưới tác động của các lực mạnh, chẳng hạn như khi xử lý bằng siêu âm hoặc kích nổ, graphit có thể chuyển hóa thành kim cương.

Kim cương nano được tổng hợp bằng siêu âm

Tổng hợp kim cương là một lĩnh vực nghiên cứu quan trọng xét về lợi ích khoa học và thương mại. Quy trình thường được sử dụng để tổng hợp các hạt kim cương vi tinh thể và nano tinh thể là kỹ thuật áp suất cao – nhiệt độ cao (HPHT). Với phương pháp này, áp suất xử lý cần thiết lên tới hàng chục nghìn át-mốt-phe và nhiệt độ trên 2000K được tạo ra để sản xuất phần lớn lượng kim cương công nghiệp cung ứng trên toàn thế giới. Để chuyển hóa graphit thành kim cương, nhìn chung cần áp suất cao và nhiệt độ cao, đồng thời chất xúc tác được sử dụng để tăng hiệu suất tạo kim cương.
Các điều kiện cần thiết cho quá trình chuyển hóa này có thể được tạo ra rất hiệu quả bằng cách sử dụng siêu âm công suất cao (= siêu âm tần số thấp, cường độ cao):

Xâm thực siêu âm

Siêu âm trong chất lỏng gây ra các hiệu ứng cục bộ cực kỳ mạnh. Khi xử lý chất lỏng bằng siêu âm ở cường độ cao, sóng âm lan truyền trong môi trường lỏng tạo ra các chu kỳ áp suất cao (nén) và áp suất thấp (giãn) luân phiên, với tốc độ phụ thuộc vào tần số. Trong chu kỳ áp suất thấp, sóng siêu âm cường độ cao tạo ra các bọt chân không nhỏ hoặc các khoang rỗng trong chất lỏng. Khi các bọt đạt đến thể tích mà tại đó chúng không còn có thể hấp thụ năng lượng, chúng sụp đổ dữ dội trong một chu kỳ áp suất cao. Hiện tượng này được gọi là xâm thực. Trong quá trình sụp đổ, nhiệt độ rất cao (khoảng 5.000K) và áp suất rất cao (khoảng 2.000atm) xuất hiện cục bộ. Sự sụp đổ của bọt xâm thực cũng tạo ra các tia chất lỏng có vận tốc lên tới 280m/s. (Suslick 1998) Rõ ràng là kim cương vi tinh thể và nano tinh thể có thể được tổng hợp trong trường siêu âm gây xâm thực.

Trong video này, chúng tôi giới thiệu hệ thống siêu âm 2 kilowatt vận hành trên đường ống trong tủ có thể thổi khí. Hielscher cung cấp thiết bị siêu âm cho hầu hết các ngành công nghiệp, như hóa chất, dược phẩm, mỹ phẩm, các quy trình hóa dầu cũng như các quy trình chiết xuất bằng dung môi. Tủ thép không gỉ có thể thổi khí này được thiết kế để vận hành tại khu vực nguy hiểm. Để đáp ứng mục đích này, khách hàng có thể thổi nitơ hoặc không khí sạch vào tủ kín nhằm ngăn khí hoặc hơi dễ cháy xâm nhập vào tủ.

Quy trình tổng hợp kim cương nano bằng siêu âm

Trên thực tế, nghiên cứu của Khachatryan và cộng sự (2008) cho thấy các vi tinh thể kim cương cũng có thể được tổng hợp bằng cách xử lý huyền phù graphit trong chất lỏng hữu cơ bằng siêu âm ở áp suất khí quyển và nhiệt độ phòng. Một hỗn hợp oligome thơm đã được chọn làm chất lỏng xâm thực do có áp suất hơi bão hòa thấp và nhiệt độ sôi cao. Bột graphit tinh khiết đặc biệt – với các hạt có kích thước trong khoảng 100–200 µm – đã được phân tán thành huyền phù trong chất lỏng này. Trong các thí nghiệm của Kachatryan và cộng sự, tỷ lệ khối lượng chất rắn/chất lỏng là 1:6, khối lượng riêng của chất lỏng xâm thực là 1,1g cm^-3 ở 25°C. Cường độ siêu âm tối đa trong thiết bị phản ứng siêu âm là 75–80W cm^-2 tương ứng với biên độ áp suất âm 15–16 bar.
Đã đạt được tỷ lệ chuyển hóa graphit thành kim cương khoảng 10%. Các hạt kim cương gần như đơn phân tán với phân bố kích thước rất hẹp, được thiết kế tốt, trong khoảng 6 hoặc 9μm ± 0,5μm, với hình thái lập phương, kết tinh và độ tinh khiết cao.

Kim cương được tổng hợp bằng siêu âm (ảnh SEM): Siêu âm công suất cao cung cấp năng lượng cần thiết để kích hoạt quá trình tổng hợp kim cương nano

Ảnh SEM của kim cương được tổng hợp bằng siêu âm: các ảnh (a) và (b) cho thấy loạt mẫu 1, (c) và (d) cho thấy loạt mẫu 2. [Khachatryan et al. 2008]

Mức chi phí của kim cương micro và nano được sản xuất bằng phương pháp này được ước tính là có tính cạnh tranh so với quy trình áp suất cao – nhiệt độ cao (HPHT). Điều này khiến siêu âm trở thành một phương án thay thế mang tính đổi mới để tổng hợp kim cương micro và nano (Khachatryan et al. 2008), đặc biệt vì quy trình sản xuất kim cương nano có thể được tối ưu hóa thông qua các nghiên cứu tiếp theo. Nhiều thông số như biên độ, áp suất, nhiệt độ, chất lỏng tạo xâm thực và nồng độ phải được khảo sát chính xác để tìm ra điều kiện tối ưu cho quá trình tổng hợp kim cương nano bằng siêu âm.
Dựa trên các kết quả đạt được trong quá trình tổng hợp kim cương nano, hiện tượng xâm thực do siêu âm tạo ra còn mang lại tiềm năng tổng hợp các hợp chất quan trọng khác, chẳng hạn như bo nitrua lập phương, cacbon nitrua, v.v. (Khachatryan et al. 2008)
Ngoài ra, dường như có thể tạo ra dây nano và thanh nano kim cương từ ống nano cacbon đa thành (MWCNTs) dưới tác động chiếu xạ siêu âm. Dây nano kim cương là dạng tương đương một chiều của kim cương khối. Nhờ mô đun đàn hồi cao, tỷ số độ bền trên khối lượng cao và khả năng chức năng hóa bề mặt tương đối dễ dàng, kim cương đã được xác định là vật liệu tối ưu cho các thiết kế cơ học nano. (Sun et al. 2004)

Phân tán kim cương nano bằng siêu âm

Như đã mô tả, việc phá kết tụ và phân bố kích thước hạt đồng đều trong môi trường là những yếu tố thiết yếu để khai thác thành công các đặc tính độc đáo của kim cương nano.
Sự phân tán và phá kết tụ bằng siêu âm là kết quả của hiện tượng xâm thực do siêu âm. Khi chất lỏng chịu tác động của siêu âm, các sóng âm truyền vào chất lỏng tạo ra những chu kỳ áp suất cao và áp suất thấp luân phiên. Điều này tạo ứng suất cơ học tác động lên các lực hút giữa từng hạt riêng lẻ. Hiện tượng xâm thực do siêu âm trong chất lỏng tạo ra các tia chất lỏng tốc độ cao lên đến 1000km/hr (khoảng 600mph). Các tia này ép chất lỏng ở áp suất cao vào giữa các hạt và tách chúng ra khỏi nhau. Các hạt nhỏ hơn được gia tốc cùng với các tia chất lỏng và va chạm ở tốc độ cao. Điều này khiến siêu âm trở thành một phương tiện hiệu quả để phân tán cũng như nghiền các hạt có kích thước micromet và dưới micromet.
Ví dụ, kim cương nano (kích thước trung bình khoảng 4nm) và polystyrene có thể được phân tán trong cyclohexane để thu được một vật liệu composite đặc biệt. Trong nghiên cứu của mình, Chipara et al. (2010) đã chế tạo các vật liệu composite từ polystyrene và kim cương nano, chứa kim cương nano trong khoảng từ 0 đến 25% khối lượng. Để đạt được sự phân tán đồng đều, họ đã xử lý dung dịch bằng siêu âm trong 60 min bằng máy siêu âm công suất lớn 1000 oát của Hielscher, mẫu UIP1000hd.
Tìm hiểu thêm về phá kết tập kim cương nano bằng siêu âm!

Chức năng hóa kim cương nano với sự hỗ trợ của siêu âm

Để chức năng hóa toàn bộ bề mặt của từng hạt có kích thước nano, bề mặt hạt phải có khả năng tiếp cận để tham gia phản ứng hóa học. Điều này có nghĩa là cần có sự phân tán mịn và đồng đều, vì các hạt được phân tán tốt được bao quanh bởi một lớp biên gồm các phân tử bị hút vào bề mặt hạt. Để đưa các nhóm chức mới lên bề mặt kim cương nano, lớp biên này phải được phá vỡ hoặc loại bỏ. Quá trình phá vỡ và loại bỏ lớp biên này có thể được thực hiện bằng siêu âm.
Siêu âm được đưa vào chất lỏng tạo ra nhiều hiệu ứng cực đoan khác nhau như xâm thực, nhiệt độ cục bộ rất cao lên đến 2000K và các tia chất lỏng có tốc độ lên đến 1000km/hr. (Suslick 1998) Nhờ các yếu tố gây ứng suất này, các lực hút (ví dụ: lực Van-der-Waals) có thể bị thắng và các phân tử mang nhóm chức được đưa đến bề mặt hạt để chức năng hóa, ví dụ như bề mặt kim cương nano.

Khi được chiếu siêu âm công suất cao (ví dụ: bằng UIP2000hdT của Hielscher), có thể tổng hợp, phá kết tụ và chức năng hóa kim cương nano một cách hiệu quả.

Sơ đồ 1: Hình minh họa quá trình phá kết tụ tại chỗ và chức năng hóa bề mặt kim cương nano (Liang 2011)

Các thí nghiệm xử lý bằng phương pháp phân rã bằng siêu âm có hỗ trợ của hạt (BASD) cũng cho thấy những kết quả đầy hứa hẹn đối với việc chức năng hóa bề mặt kim cương nano. Trong phương pháp này, các hạt (ví dụ: hạt gốm kích thước micromet như hạt ZrO2) đã được sử dụng để tăng cường các lực xâm thực do siêu âm tác động lên các hạt kim cương nano. Sự phá kết tụ xảy ra do va chạm giữa các hạt kim cương nano và các hạt ZrO₂ .
Do bề mặt hạt dễ tiếp cận hơn, đối với các phản ứng hóa học như khử bằng boran, aryl hóa hoặc silan hóa, rất nên xử lý sơ bộ bằng siêu âm hoặc BASD (phân rã bằng siêu âm có hỗ trợ của hạt) nhằm mục đích phân tán. Nhờ quá trình phân tán và phá kết tụ bằng siêu âm, phản ứng hóa học có thể diễn ra hoàn toàn hơn nhiều.

Liên hệ với chúng tôi! / Đặt câu hỏi cho chúng tôi!

Chủ đề liên quan

Tài liệu/Tài liệu tham khảo

Khachatryan, A. Kh. et al.: Sự chuyển hóa từ graphit thành kim cương do xâm thực siêu âm gây ra. Trong: Diamond & Related Materials 17, 2008; tr.931–936.
Galimov, Erik & Kudin, A. & Skorobogatskii, V. & Plotnichenko, V. & Bondarev, O. & Zarubin, B. & Strazdovskii, V. & Aronin, Alexandr & Fisenko, A. & Bykov, I. & Barinov, A.. (2004): Xác nhận bằng thực nghiệm về sự tổng hợp kim cương trong quá trình xâm thực. Doklady Physics – DOKL PHYS. 49. 150–153.
Turcheniuk, K., Trecazzi, C., Deeleepojananan, C., & Mochalin, V. N. (2016): Phá kết tập kim cương nano bằng siêu âm có hỗ trợ của muối. ACS Applied Materials & Interfaces, 8(38), 25461–25468.
Basma H. Al-Tamimi, Iman I. Jabbar, Haitham M. Al-Tamimi (2919): Tổng hợp và xác định đặc trưng của kim cương tinh thể nano từ các vảy graphit thông qua quá trình được thúc đẩy bởi xâm thực. Heliyon, Tập 5, Số 5. 2019.
Krueger, A.: Cấu trúc và khả năng phản ứng của kim cương kích thước nano. Trong: J Mater Chem 18, 2008; tr. 1485–1492.
Liang, Y.: Phá kết tụ và chức năng hóa bề mặt kim cương nano bằng các phương pháp nhiệt hóa và cơ hóa. Luận án, Julius-Maximilian-Universität Würzburg 2011.
Osawa, E.: Các hạt kim cương nano riêng lẻ đơn phân tán. Trong: Pure Appl Chem 80/7, 2008; tr. 1365–1379.
Pramatarova, L. et al.: Ưu điểm của vật liệu composite polyme chứa các hạt kim cương nano tổng hợp bằng kích nổ trong ứng dụng y tế. Trong: On Biomimetics; tr. 298–320.
Sun, L.; Gong, J.; Zhu, D.; Zhu, Z.; He, S.: Thanh nano kim cương từ ống nano cacbon. Trong: Advanced Materials 16/2004. tr. 1849–1853.
Suslick, K.S.: Bách khoa toàn thư Kirk-Othmer về công nghệ hóa học. Ấn bản thứ 4. J. Wiley & Sons: New York; 26, 1998; tr. 517–541.
Chipara, A. C. et al.: Tính chất nhiệt của các hạt kim cương nano phân tán trong polystyren. HESTEC 2010.
El-Say, K. M.: Kim cương nano làm hệ dẫn truyền thuốc: Ứng dụng và triển vọng. Trong J Appl Pharm Sci 01/06, 2011; tr. 29–39.

Kim cương nano – Sử dụng và ứng dụng

Các hạt kim cương nano không ổn định do thế zeta của chúng. Do đó, chúng có xu hướng hình thành các tập hợp hạt rất mạnh. Một ứng dụng phổ biến của kim cương nano là sử dụng trong vật liệu mài, dụng cụ cắt và đánh bóng, cùng các bộ phận tản nhiệt. Một ứng dụng tiềm năng khác là sử dụng kim cương nano làm chất mang thuốc cho các hoạt chất dược phẩm (xem Pramatarova). Bằng xử lý siêu âm, thứ nhất, có thể tổng hợp kim cương nano từ graphit và thứ hai, có thể phân tán đồng đều kim cương nano vốn rất dễ kết tụ vào môi trường lỏng (ví dụ: để pha chế chất đánh bóng).