Tổng hợp siêu âm kim cương nano

• Do lực xâm thực mạnh mẽ của nó, siêu âm điện là một kỹ thuật đầy hứa hẹn để sản xuất kim cương có kích thước micron và nano từ than chì.
• Kim cương tinh thể vi mô và nano có thể được tổng hợp sonicating một huyền phù than chì trong chất lỏng hữu cơ ở áp suất khí quyển và nhiệt độ phòng.
• Siêu âm cũng là một công cụ hữu ích cho việc xử lý hậu kỳ của kim cương nano tổng hợp, như ultrasonication phân tán, deagglomerates và chức năng hóa các hạt nano rất hiệu quả.

Ultrasonics để điều trị kim cương nano

Kim cương nano (còn được gọi là kim cương kích nổ (DND) hoặc kim cương siêu phân tán (UDD)) là một dạng vật liệu nano carbon đặc biệt được phân biệt bởi các đặc điểm độc đáo - chẳng hạn như Lưới cấu trúc, lớn của nó bề mặt, cũng như độc đáo Quang học và từ thuộc tính - và các ứng dụng đặc biệt. Các tính chất của các hạt siêu phân tán làm cho các vật liệu này trở thành các hợp chất sáng tạo để tạo ra các vật liệu mới với các chức năng phi thường. Kích thước của các hạt kim cương trong bồ hóng là khoảng 5nm.

Dưới lực mạnh, chẳng hạn như sonication hoặc kích nổ, than chì có thể được chuyển thành kim cương.

Ultrasonically tổng hợp kim cương nano

Tổng hợp kim cương là một lĩnh vực nghiên cứu quan trọng liên quan đến lợi ích khoa học và thương mại. Quá trình thường được sử dụng để tổng hợp các hạt kim cương vi tinh thể và tinh thể nano là kỹ thuật áp suất cao-nhiệt độ cao (HPHT). Bằng phương pháp này, áp suất quá trình cần thiết của hàng chục ngàn atm và nhiệt độ hơn 2000K được tạo ra để sản xuất phần chính của nguồn cung cấp kim cương công nghiệp trên toàn thế giới. Để chuyển đổi than chì thành kim cương, nói chung cần có áp suất cao và nhiệt độ cao, và chất xúc tác được sử dụng để tăng năng suất của kim cương.
Những yêu cầu cần thiết cho việc chuyển đổi có thể được tạo ra rất hiệu quả bằng cách sử dụng Siêu âm công suất cao (= tần số thấp, siêu âm cường độ cao):

siêu âm cavitation

Siêu âm trong chất lỏng gây ra hiệu ứng rất cực đoan cục bộ. Khi sonicating chất lỏng ở cường độ cao, sóng âm thanh truyền vào môi trường lỏng dẫn đến các chu kỳ áp suất cao (nén) và áp suất thấp (hiếm) xen kẽ, với tốc độ tùy thuộc vào tần số. Trong chu kỳ áp suất thấp, sóng siêu âm cường độ cao tạo ra bong bóng chân không nhỏ hoặc khoảng trống trong chất lỏng. Khi các bong bóng đạt đến một 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 Cavitation. Trong vụ nổ, nhiệt độ rất cao (khoảng 5.000K) và áp suất (khoảng 2.000atm) đạt được cục bộ. Sự nổ tung của bong bóng xâm thực cũng dẫn đến các tia chất lỏng có vận tốc lên tới 280m / s. (Suslick 1998) Rõ ràng là vi mô và tinh thể nano Kim cương có thể được tổng hợp trong lĩnh vực siêu âm Cavitation.

Thủ tục siêu âm để tổng hợp kim cương nano

Trên thực tế, nghiên cứu của Khachatryan et al. (2008) cho thấy vi tinh thể kim cương cũng có thể được tổng hợp bằng cách siêu âm huyền phù than chì trong chất lỏng hữu cơ ở áp suất khí quyển và nhiệt độ phòng. Là chất lỏng xâm thực, một công thức của oligome thơm đã được chọn do áp suất hơi bão hòa thấp và nhiệt độ sôi cao. Trong chất lỏng này, bột than chì nguyên chất đặc biệt – với các hạt trong khoảng từ 100-200 μm - đã bị đình chỉ. Trong các thí nghiệm của Kachatryan et al., tỷ lệ trọng lượng chất lỏng rắn là 1: 6, mật độ chất lỏng xâm thực là 1,1g cm^-3 ở 25°C. Cường độ siêu âm tối đa trong sonoreactor là 75-80W cm^-2 tương ứng với biên độ áp suất âm thanh 15-16 bar.
Nó đã đạt được khoảng 10% chuyển đổi than chì thành kim cương. Những viên kim cương gần như phân tán đơn với kích thước rất sắc nét, được thiết kế tốt trong khoảng 6 hoặc 9μm ± 0,5μm, với hình khối, Tinh hình thái và độ tinh khiết cao.

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

Các Chi phí của micro- và nanodiamonds được sản xuất bằng phương pháp này được ước tính là cạnh tranh với quy trình áp suất cao-nhiệt độ cao (HPHT). Điều này làm cho siêu âm trở thành một giải pháp thay thế sáng tạo cho việc tổng hợp kim cương vi mô và nano (Khachatryan et al. 2008), đặc biệt là khi quá trình sản xuất kim cương nano có thể được tối ưu hóa bằng cách nghiên cứu thêm. Nhiều thông số như biên độ, áp suất, nhiệt độ, chất lỏng xâm thực và nồng độ phải được kiểm tra chính xác để khám phá điểm ngọt của tổng hợp nanodiamond siêu âm.
Bởi kết quả đạt được trong việc tổng hợp kim cương nano, tiếp tục siêu âm tạo ra Cavitation cung cấp tiềm năng tổng hợp các hợp chất quan trọng khác, chẳng hạn như boron nitride khối, carbon nitride, v.v. (Khachatryan et al. 2008)
Hơn nữa, dường như có thể tạo ra các dây nano kim cương và thanh nano từ các ống nano carbon nhiều thành (MWCNT) dưới chiếu xạ siêu âm. Dây nano kim cương là chất tương tự một chiều của kim cương số lượng lớn. Do mô đun đàn hồi cao, tỷ lệ sức mạnh trên trọng lượng và sự dễ dàng tương đối mà bề mặt của nó có thể được chức năng, kim cương đã được tìm thấy là vật liệu tối ưu cho các thiết kế cơ học nano. (Sun et al. 2004)

Siêu âm phân tán kim cương nano

Như đã mô tả, sự kết tụ và phân bố kích thước hạt đồng đều trong môi trường là những yếu tố cần thiết để khai thác thành công các đặc tính độc đáo của kim cương nano.
Phân tán và deagglomeration bởi ultrasonication là kết quả của siêu âm Cavitation. Khi cho chất lỏng tiếp xúc với siêu âm, sóng âm thanh truyền vào chất lỏng dẫn đến các chu kỳ áp suất cao và áp suất thấp xen kẽ. Điều này áp dụng ứng suất cơ học lên lực hút giữa các hạt riêng lẻ. Siêu âm cavitation trong chất lỏng gây ra các tia chất lỏng tốc độ cao lên đến 1000km / giờ (xấp xỉ 600mph). Các máy bay phản lực như vậy ép chất lỏng ở áp suất cao giữa các hạt và tách chúng ra khỏi nhau. Các hạt nhỏ hơn được gia tốc với các tia chất lỏng và va chạm ở tốc độ cao. Điều này làm cho siêu âm trở thành một phương tiện hiệu quả để phân tán mà còn cho Phay of micron-size and sub micron-size particles.
Ví dụ, kim cương nano (kích thước trung bình khoảng 4nm) và polystyrene có thể được phân tán trong cyclohexane để thu được hỗn hợp đặc biệt. Trong nghiên cứu của họ, Chipara et al. (2010) đã điều chế vật liệu tổng hợp polystyrene và kim cương nano, chứa kim cương nano trong phạm vi từ 0 đến 25% trọng lượng. Để có được một chẵn Phân tán, họ đã âm thanh hóa giải pháp trong 60 phút với Hielscher's UIP1000hd (1kW).

Ultrasonically hỗ trợ chức năng của kim cương nano

Để chức năng hóa bề mặt hoàn chỉnh của mỗi hạt có kích thước nano, bề mặt của hạt phải có sẵn cho phản ứng hóa học. Điều này có nghĩa là cần có sự phân tán đều và mịn vì các hạt phân tán tốt được bao quanh bởi một lớp ranh giới của các phân tử bị thu hút vào bề mặt hạt. Để đưa các nhóm chức năng mới lên bề mặt kim cương nano, lớp ranh giới này phải bị phá vỡ hoặc loại bỏ. Quá trình phá vỡ và loại bỏ lớp ranh giới này có thể được thực hiện bằng siêu âm.
Siêu âm được đưa vào chất lỏng tạo ra các hiệu ứng cực đoan khác nhau như: Cavitation, nhiệt độ rất cao cục bộ lên tới 2000K và máy bay phản lực lỏng lên tới 1000km / giờ. (Suslick 1998) Bằng các yếu tố ứng suất này, lực hút (ví dụ lực Van-der-Waals) có thể được khắc phục và các phân tử chức năng được mang lên bề mặt của hạt để hoạt động, ví dụ như bề mặt kim cương nano.

Sơ đồ 1: Đồ họa của sự kết tụ tại chỗ và chức năng hóa bề mặt của kim cương nano (Liang 2011)

Các thí nghiệm với phương pháp xử lý phân rã âm thanh hỗ trợ hạt (BASD) đã cho thấy kết quả đầy hứa hẹn cho việc chức năng hóa bề mặt của kim cương nano. Qua đó, các hạt (ví dụ như các hạt gốm có kích thước siêu nhỏ như hạt ZrO2) đã được sử dụng để thực thi siêu âm cavitational lực tác động lên các hạt kim cương nano. Sự kết tụ xảy ra do sự va chạm giữa các hạt kim cương nano và ZrO₂ Hạt.
Do sự sẵn có tốt hơn của bề mặt hạt, đối với các phản ứng hóa học như khử Boran, arylation hoặc silan hóa, tiền xử lý siêu âm hoặc BASD (phân rã âm thanh hỗ trợ hạt) cho mục đích phân tán rất được khuyến khích. Bằng siêu âm Phân tán và deagglomeration Phản ứng hóa học có thể tiến hành hoàn toàn hơn nhiều.