- سنتز نانو الماس و میکرو الماس با سونیکیشن یک محلول از گرافیت در مایع آلی تحت فشار جو و دمای اتاق می‌تواند انجام شود.
- به دلیل نیروی شدید کویتاسیون، استفاده از التراسونیک هموژنایزر یک تکنیک امیدبخش برای تولید الماس‌های میکرو و نانو از گرافیت می‌باشد.
- التراسونیک هموژنایزر ابزار مفیدی برای پس‌فرآوری نانو الماس‌های سنتزشده است، زیرا اعمال التراسونیک کلوخه‌های نانو را به‌طور بسیار موثر پراکنده و نانوذرات را به خوبی فعال‌سازی می‌کند.
سنتز نانو الماس با التراسونیک هموژنایزر
نانو الماس (همچنین به نام‌های الماس‌های انفجاری (DND) یا الماس‌های الترادیسپرس (UDD) هم شناخته می شوند) شکل خاصی از نانومواد کربنی هستند که به ویژگی‌های منحصربه‌فردشان - مانند ساختار شبکه، سطح بزرگ، و خواص نوری و مغناطیسی منحصربه‌فرد - و نیز کاربردهای استثنایی مشهور هستند. ویژگی‌های ذرات اولترادیسپرس این مواد را ترکیب‌های نوآورانه برای ایجاد مواد نوین با توانایی‌های فوق‌العاده می‌سازند. اندازه ذرات الماس در دوده حدود 5 نانومتر است.
تحت نیروهای شدید همچون سونیکیشن یا انفجار، گرافیت می تواند به الماس تبدیل شود.
نانو الماس- فرآیند سنتز با التراسونیک هموژنایزر
سنتز الماس یک زمینه تحقیقی مهم در بخش‌های علمی و تجاری است. فرایند متداول برای ترکیب ذرات بلورین میکرو الماس و نانو الماس، تکنیک فشار-دمای بالا (HPHT) است. با استفاده از این روش، فشارهای موردنیاز در دهها هزار اتمسفر و دماهای بیش از 2000 کلوین تولید می‌شوند تا بخش اصلی الماس صنعتی جهان تولید شود شود. برای تبدیل گرافیت به الماس، به طور کلی نیاز به فشارهای بالا و دماهای بالا و کاتالیست‌ها برای افزایش عملکرد الماس است. این ملزومات برای تبدیل گرافیت به الماس با بازده بالا توسط التراسونیک هموژنایزر می تواند تامین گردد.
کویتاسیون التراسونیک
التراسونیک در مایعات اثرات بسیار شدید محلی ایجاد می‌کند. هنگام سونیکیشن مایعات فشارهای بالا(انقیاض) و فشارهای پایین(انبساط) به صورت در مایع متناسب با فرکانس ایجاد می‌کند. هنگام دوره فشار پایین، موج‌های اولتراسونیکی با شدت بالا، حباب‌های خلا یا حفره در مایع ایجاد می‌کنند. زمانی که حباب‌ها به حجمی برسند که دیگر نتوانند انرژی جذب کنند، در دوره فشار بالا با شدت متلاشی می شوند. این پدیده به اصطلاح کویتاسیون می‌گویند. در طول انفجار دماهای بسیار بالا (حدود 5000 کلوین) و فشارها (حدود 2000 اتمسفر) محلی نیز به‌دست می‌آید. انفجار حباب کویتاسیون همچنین منجر به جت‌های مایعی با سرعت تا 280 متر بر ثانیه می‌شود. (ساسلیک 1998) مشخص است که میکرو الماس‌و نانو الماس‌های بلورین می توانند در طی کوتاسیون التراسونیک سنتز شوند
روش سنتز نانو الماس با التراسونیک هموژنایزر
عملا، تحقیقات خاچاتریان و همکاران (2008) نشان می‌دهد که می‌توان میکروکریستال‌های الماس را نیز از طریق اعمال التراسونیک به یک سوسپانسیون گرافیت در مایع آلی تحت فشار جو و در دمای اتاق تهیه کرد. به عنوان مایع حاوی کاویتیشن، فرمولی از اولیگومرهای آروماتیک به دلیل فشار بخار اشباع کم و دمای جوش بالا انتخاب شده است. در این مایع، پودر خالص خاص گرافیت - با ذراتی در بازه 100-200 میکرومتر - سوسپانسیون شده است. در آزمایشات خاچاتریان و همکاران، نسبت وزن جامد به مایع 6:1 بود، چگالی مایع کاویتیشن 1.1گرم برسانتی‌متر مکعب در 25 درجه سانتیگراد بود. بیشترین شدت شدت التراسونیک در راکتور التراسونیک 75-80 وات بر سانتی‌متر مربع بود که معادل یک فشار صوتی 15-16 بار می‌شد.
تقریبا 10% گرافیت به الماس تبدیل شد. الماس‌ها به طور تقریبی مونودیسپرس با اندازه بسیار تیز و مناسب در محدوده 6 یا 9 میکرومتر ± 0.5 میکرومتر، با مورفولوژی مکعبی، بلورین و خلوصی بالا بودند.
تصاویر SEM از الماس‌های سنتز شده به وسیله التراسونیک: تصاویر (الف) و (ب) نشان دهنده سری نمونه ۱ است، (ج) و (د) هم نشان‌دهنده سری نمونه ۲ می‌باشد. [خاچاتریان و دیگران ۲۰۰۸]
هزینه‌های میکرو الماس و نانو الماس‌های تولید شده به این روش تخمین زده شده است که با فرآیند فشار و دمای بالا (HPHT) رقابتی است. این موضوع باعث می‌شود که التراسوند یک جایگزین نوآورانه برای سنتز میکرو- و نانوالماس‌ها باشد (خاچاتریان و دیگران ۲۰۰۸)، به ویژه چون فرآیند تولید نانو الماس‌ها می‌تواند توسط بررسی‌های بیشتر بهینه شود. بسیاری از پارامترها مانند دامنه، فشار، دما، سیال کویتاسیون و غلظت باید به دقت مورد بررسی قرار گیرند تا شاریط بهینه سنتز نانوالماس‌های التراسونیک کشف شود.
با توجه به نتایج حاصل در فرآیند سنتز نانو الماس‌ها، کاویتیشن ناشی از امواج التراسونیک هموژنایزر پتانسیل تولید ترکیبات مهم دیگری مانند نیترید بورن مکعبی، نیترید کربن و غیره را ایجاد می کند. (خاچاتریان و دیگران ۲۰۰۸)
به نظر می‌رسد که امکان ساخت نانوسیم ها و نانومیله‌های الماسی از نانولوله‌های کربنی چنددیواره (MWCNTs) زیر تابش التراسونیک وجود دارد. نانوسیم‌های الماسی مشابه(انالوگ) یک بعدی الماس جامد هستند. به دلیل مدول الاستیسیته بالا، نسبت استحکام به وزن و آسانی نسبی که پرداخت سطوح آن، الماس بهترین ماده برای طراحی‌های نانومکانیکی است. (سان و دیگران ۲۰۰۴)
برای مطالعه در مورد دیسپرس نانوذرات کربنی کلیک کنید.
دیسپرس نانو الماس با التراسونیک هموژنایزر
همانطور که قبلا گفته شد، جدایی و کلوخه زدایی توزیع یکنواخت ذرات در محیط، امری ضروری برای بهره‌برداری موفق از ویژگی‌های منحصر به فرد نانو الماس است.
دیسپرس و کلوخه زدایی توسط اولتراسونیک نتیجه کویتاسیون اولتراسونیک است. وقتی مایعات را در معرض اولتراسونیک قرار می دهیم، امواج صوتی که در مایع منتشر می‌شوند، به چرخه‌های فشار بالا و کم فشار متناوب منجر می‌شوند. این فشار مکانیکی بر نیروهای جاذب بین ذرات تاثیر می‌گذارد. کویتاسیون اولتراسونیک در مایعات باعث پدید آمدن سریع جت‌های مایع با سرعت تا 1000 کیلومتر در ساعت (حدود 600 مایل در ساعت) می‌شود. چنین جت‌هایی مایعات را با فشار بالا بین ذرات فشار داده و آن‌ها را از یکدیگر جدا می‌کنند. ذرات کوچک با جت‌های مایع سرعت یافته و با سرعت بالا برخورد می‌کنند. این امر اولتراسونیک را به روشی موثر برای پراکندگی و همچنین خردایش ذرات با ابعاد میکرون و زیرمیکرون می‌نماید.
به عنوان مثال، نانو الماس (اندازه میانگین حدود 4 نانومتر) و پلی‌استایرن می‌توانند در سیکلوهگزان پراکنده شوند تا یک ترکیب ویژه به دست آید. در مطالعه شان، چیپارا و همکارانشان (2010) ترکیباتی از پلی‌استایرن و ناو الماس، که الماس‌ها در محدوده 0 تا 25 درصد وزن وجود دارند، آماده کرده‌اند. برای به دست آوردن یک پراکندگی یکنواخت، آن‌ها محلول را برای 60 دقیقه به کمک التراسونیک هموژنایزر نیمه صنعتی فرآوری می کنند. (1 کیلووات).
برای مطالعه در مورد دیسپرس نانوذرات سیلیس کلیک کنید.
برای مطالعه در مورد کاربرد نانوذرات الماس در روانکارها کلیک کنید.
فعال سازی نانو الماس با التراسونیک
برای فعال سازی سطح کامل هر ذره نانو ، سطح ذرات باید برای واکنش شیمیایی در دسترس باشد. این بدین معنی است که یک پراکندگی یکنواخت و خوب لازم است چرا که ذراتی که به خوبی پراکنده شده‌اند توسط یک لایه مرزی از مولکول‌ها که به سطح ذره جذب می‌شوند، احاطه می‌شوند. برای به دست آوردن گروه‌های عملیاتی جدید بر روی سطح الماس‌های نانو، این لایه مرزی باید شکسته و حذف شود. این فرایند شکست و حذف لایه مرزی می‌تواند توسط التراسونیک انجام شود.
اولتراسونیک درون مایع، طیف گسترده‌ای از اثرات همچون کویتاسیون، دمای بسیار بالای موضعی تا 2000 کلوین و جت‌های مایع با سرعت تا 1000 کیلومتر در ساعت تولید می‌کند. (سوزلیک 1998) با این عوامل تنشی نیروهای جذب کننده (مانند نیروهای ون در والسی) می‌توانند شکسته شوند و مولکول‌های عملیتانی به سطح ذره منتقل شوند تا بر روی سطح ذره وظایف آن‌ها انجام شود، مثلا بر روی سطح الماس‌های نانو.
گرافیکی از کلوخه زدایی در محل و فعال سازی سطح نانوالماس ها (لیانگ ۲۰۱۱)
آزمایش‌ها با روش تجمع زدایی التراسونیک با کمک مهره‌ها (BASD) نتایج قابل توجهی برای فعال سازی سطح نانودایموندها نیز نشان داده‌اند. از این رو، مهره‌ها (به عنوان مثال مهره‌های سرامیک کوچک مانند مهره‌های ZrO2) برای اعمال نیروهای کویتاسیون التراسونیک بر روی ذرات نانو الماس استفاده شده‌اند. گسیل ذرات به دلیل برخورد بین‌ذره‌ای بین ذرات نانودایموند و مهره‌های ZrO2 رخ می‌دهد.
برای بهبود دسترسی به سطح ذرات، برای واکنش‌های شیمیایی مانند کاهش بوران، اریل‌اسیون یا سیلان‌سازی، التراسونیک یا BASD (تجمع زدایی صوتی با کمک مهره) برای هدف پراکندگی به شدت توصیه می‌شود. با پراکندگی و کلوخه زدایی، واکنش شیمیایی می‌تواند بسیار کاملتر انجام شود.
نانو الماس- استفاده و کاربردها
دانه‌های نانو الماس به دلیل پتانسیل زتا ی خود ناپایدار هستند. به همین دلیل، بسیار تمایل دارند که کلوخه شوند. یکی از کاربردهای رایج الماس‌های نانو استفاده در سایش، ابزارهای برش، صیقل دهنده و سینک‌های حرارتی است. مصرف بالقوه دیگر، استفاده از الماس‌های نانو به عنوان حامل دارو برای مواد فعالدارویی است با استفاده از اعمال التراسونیک، ابتدا می‌توان الماس‌های نانو را از گرافیت سنتز و سپس، الماس‌های نانویی که به شدت به انباشتگی متمایل هستند، به صورت یکنواخت درمحیط مایع (به طور مثال برای تهیه یک عامل صیقل دهنده) پراکنده شوند.
