سنتز نانوالماس با دستگاه التراسونیک هموژنایزر

با توجه به نیروی حفره ای شدید (کاویتاسیون)، دستگاه التراسونیک هموژنایزر با توان بالا یک تکنیک عالی برای تولید الماس در ابعاد میکرون و نانو از گرافیت است.

الماس های میکرو و نانو کریستالی را می توان با استفاده از سوسپانسیون گرافیت در مایع آلی در فشار اتمسفر و دمای اتاق سنتز کرد.

اولتراسونیک همچنین یک ابزار مفید برای پس پردازش الماس های سنتز شده نانو است، زیرا فراصوت ذرات نانو را بسیار موثر پراکنده، جداسازی و عامل دار می کند.

التراسونیک برای تابش به نانوالماس

نانو الماس (همچنین الماس انفجاری (DND) یا الماس فوق پراکنده (UDD) نیز نامیده می‌شود) شکل خاصی از نانومواد کربنی هستند که با ویژگی‌های منحصربه‌فردی مانند ساختار شبکه‌ای، سطح بزرگ آن، و همچنین خواص نوری و مغناطیسی منحصربه‌فرد متمایز می‌شوند. – و کاربردهای استثنایی خواص ذرات فوق پراکنده این مواد را به ترکیبات خلاقانه ای برای ایجاد مواد جدید با عملکردهای خارق العاده تبدیل می کند. اندازه ذرات الماس در دوده حدود 5 نانومتر است.

نانوالماسهای سنتز شده به روش اولتراسونیک سنتز الماس یک زمینه تحقیقاتی مهم با توجه به علایق علمی و تجاری است. فرآیندی که معمولا برای سنتز ذرات الماس میکرو کریستالی و نانو کریستالی استفاده می شود، تکنیک فشار بالا-دمای بالا (HPHT) است. با این روش، فشار فرآیند مورد نیاز ده ها هزار اتمسفر و دمای بیش از 2000 کلوین برای تولید بخش اصلی عرضه جهانی الماس صنعتی تولید می شود. برای تبدیل گرافیت به الماس، به طور کلی فشارهای بالا و دماهای بالا مورد نیاز است و از کاتالیزورها برای افزایش بازده الماس استفاده می شود. این الزامات مورد نیاز برای تبدیل را می توان با استفاده از اولتراسوند با قدرت بالا (= فرکانس پایین، اولتراسوند با شدت بالا) بسیار کارآمد ایجاد کرد:

روش اولتراسونیک برای سنتز نانوالماس

به طور عملی، مطالعه خاچاتریان و همکاران. (2008) نشان می دهد که میکروکریستال های الماس را می توان با فراصوت سوسپانسیون گرافیت در مایع آلی در فشار اتمسفر و دمای اتاق نیز سنتز کرد. به عنوان سیال کاویتاسیون، فرمولی از الیگومرهای معطر به دلیل فشار بخار اشباع کم و دمای جوش بالای آن انتخاب شده است. در این مایع، پودر گرافیت خالص مخصوص - با ذرات در محدوده بین 100 تا 200 میکرومتر - معلق شده است. در آزمایشات Kachatryan و همکاران، نسبت وزن جامد به سیال 1:6، چگالی سیال کاویتاسیون 1.1 گرم سانتی‌متر بر سانتی‌متر در دمای 25 درجه سانتی‌گراد بود. حداکثر شدت اولتراسونیک در سونورآکتور 75-80W cm^-2  بوده است که مربوط به دامنه فشار صوتی 15-16 bar است. تقریباً 10٪ تبدیل گرافیت به الماس به دست آمده است. الماس‌ها تقریباً تک پراکنده شده‌اند و اندازه‌های بسیار تیز و به خوبی طراحی شده در محدوده 6 یا 9μm ± 0.5μm، با مورفولوژی کریستالی مکعبی و خلوص بالا داشتند.

تصاویر SEM از الماس های سنتز شده به روش اولتراسونیک: تصاویر (الف) و (ب) سری نمونه 1، (ج) و (د) سری نمونه 2 را نشان می دهد. [Khachatryan et al. 2008]

تخمین زده می‌شود که هزینه‌های میکرو و نانوالماس‌های تولید شده با این روش با فرآیند فشار بالا-دمای بالا (HPHT) رقابتی باشد. این امر اولتراسوند را به یک جایگزین نوآورانه برای سنتز میکرو و نانو الماس تبدیل می کند (Khachatryan et al. 2008)، به خصوص که فرآیند تولید نانوالماس را می توان با تحقیقات بیشتر بهینه کرد. بسیاری از پارامترها مانند دامنه، فشار، دما، سیال کاویتاسیون و غلظت باید به دقت بررسی شوند تا نقطه شیرین سنتز نانوالماس اولتراسونیک را کشف کنیم. با نتایج به‌دست‌آمده در سنتز نانوالماس‌ها، کاویتاسیون بیشتر تولید شده از طریق اولتراسونیک پتانسیل سنتز سایر ترکیبات مهم مانند نیترید بور مکعبی، نیترید کربن و غیره را ارائه می‌دهد (Khachatryan et al. 2008) علاوه بر این، به نظر می‌رسد ایجاد الماس ممکن باشد نانوسیم‌ها و نانومیله‌ها از نانولوله‌های کربنی چند جداره (MWCNTs) تحت تابش اولتراسونیک. نانوسیم های الماس آنالوگ های تک بعدی الماس فله ای هستند. الماس به دلیل مدول الاستیک بالا، نسبت استحکام به وزن و سهولت نسبی که با آن می توان سطوح آن را عاملی کرد، ماده بهینه برای طرح های نانومکانیکی است. (سان و همکاران 2004).

پراکندگی التراسونیک نانوالماس ها همانطور که قبلاً توضیح داده شد، جداسازی و توزیع اندازه ذرات یکنواخت در محیط برای بهره برداری موفقیت آمیز از ویژگی های منحصر به فرد نانوالماس ضروری است. پراکندگی و دگلومره شدن توسط فراصوت نتیجه کاویتاسیون اولتراسونیک است. هنگامی که مایعات را در معرض امواج فراصوت قرار می دهند، امواج صوتی که در مایع منتشر می شوند، منجر به چرخه های متناوب فشار بالا و فشار پایین می شوند. این فشار مکانیکی بر نیروهای جذبی بین ذرات منفرد اعمال می کند. کاویتاسیون اولتراسونیک در مایعات باعث ایجاد جت های مایع با سرعت بالا تا 1000 کیلومتر در ساعت (تقریباً 600 مایل در ساعت) می شود. چنین جت هایی مایع را با فشار زیاد بین ذرات فشار می دهند و آنها را از یکدیگر جدا می کنند. ذرات کوچکتر با جت های مایع شتاب می گیرند و با سرعت زیاد با هم برخورد می کنند. این امر اولتراسوند را به وسیله ای موثر برای پراکندگی و همچنین برای آسیاب ذرات با اندازه میکرون و زیر میکرون تبدیل می کند. به عنوان مثال، نانوالماس (اندازه متوسط حدود 4 نانومتر) و پلی استایرن را می توان در سیکلوهگزان پراکنده کرد تا یک کامپوزیت خاص به دست آید. چیپارا و همکاران در مطالعه خود. (2010) کامپوزیت هایی از پلی استایرن و نانو الماس، حاوی نانوالماس در محدوده وزنی 0 تا 25 درصد تهیه کرده اند. برای به دست آوردن پراکندگی یکنواخت، آنها محلول را به مدت 60 دقیقه با دستگاه 1000 واتی سونیک کردند.

عامل‌ دار کردن نانوالماس‌ها با کمک اولتراسونیک

برای عملکرد سطح کامل هر ذره با اندازه نانو، سطح ذره باید برای واکنش شیمیایی در دسترس باشد. این بدان معنی است که پراکندگی یکنواخت و ریز مورد نیاز است زیرا ذرات به خوبی پراکنده شده توسط یک لایه مرزی از مولکول‌ها که به سطح ذره جذب می‌شوند احاطه شده‌اند. برای رسیدن گروه های عاملی جدید به سطح نانوالماس، این لایه مرزی باید شکسته یا حذف شود. این فرآیند شکستن و حذف لایه مرزی را می توان توسط اولتراسونیک انجام داد. اولتراسوند وارد شده به مایع اثرات شدید مختلفی مانند کاویتاسیون، دمای بسیار بالای موضعی تا 2000 کلوین و جت های مایع تا 1000 کیلومتر در ساعت ایجاد می کند. (Suslick 1998) توسط این عوامل تنش می توان بر نیروهای جذب کننده (مانند نیروهای واندروالس) غلبه کرد و مولکول های عاملی به سطح ذره منتقل شدند تا عاملی شوند، به عنوان مثال. سطح نانو الماس

استفاده از پرل (گلوله) زیرگونیا برای عامل دار کردن نانو الماس، سطح حباب به پرل زیرکونیا می چسبد و شاک ویو (موج شوک) منجر به برخورد شدیدتر پرل زیرکونیا می گردد.

عامل‌سازی نانوالماس‌ها (لیانگ 2011) آزمایش‌ها با روش تابش فراصوت در حضور مهره (پرل-بید) (BASD) نتایج امیدوارکننده‌ای را برای عملکرد سطحی نانوالماس‌ها نیز نشان داده‌اند. بنابراین، مهره‌ها (به عنوان مثال دانه‌های سرامیکی با اندازه میکرو مانند دانه‌های زیرکونیا( ZrO2) یا پرل شیشه ای، برای اعمال نیروهای حفره اولتراسونیک بر روی ذرات نانوالماس استفاده شده‌اند. جلوگیری از آگلومره شدن به دلیل برخورد بین ذرات نانوالماس و دانه‌های ZrO2 اتفاق می‌افتد. با توجه به در دسترس بودن بهتر سطح ذرات، برای واکنش های شیمیایی مانند احیای بوران، آریلاسیون یا سیلانیزاسیون، یک پیش تصفیه اولتراسونیک یا BASD (تجزیه صوتی به کمک مهره) برای هدف پراکندگی به شدت توصیه می شود. با پراکندگی اولتراسونیک و دگلومره کردن، واکنش شیمیایی می تواند بسیار کاملتر انجام شود.

تابش فراصوت برای سنتز مواد

تابش فراصوت توسط مبدل فراصوت که معمولاً پروب، حمام یا راکتور های فراصوتی به ماده منتقل می شود و دو فرایند سودمند را در واکنش شیمیایی در پی دارد :

جریان اکوستیکی

موج صوتی هنگامی که از مایعی عبور می کند به خاطر اصطکاک ناشی از ویسکوزیته حرکت خود را به مرور از دست می دهد. حرکت به مایع انتقال می یابد و در نتیجه، شکل گیری حرکت مایع در جهت انتشار موج است. این جریان شاری را القاء می کند که اغلب به جریان آکوستیکی معروف است (شکل ‏1‑5). برای مثال، سرعت جریان از چند سانتی متر تا بیش از چند متر در هر ثانیه بدست می آید [ⁱ]. در حضور ذرات کوچک، اصطکاک بین شاره و ذرات می تواند تا مقادیر بالاتر جریان های میکرو برود. به خاطر این پدیده، فراصوت یک وسیله غیر تهاجمی برای افزایش جرم و انتقال حرارت است. به هر حال بازده انرژی فراصوت برای مخلوط کردن از همزنهای مکانیکی به نسبت کمتر است، از این رو در فرایندهای دیگر، مانند تولید حفره های صوتی صرف شده و نهایتاً بخش قابل توجهی از انرژی صوتی (99 درصد) به گرما تبدیل میشود.

حباب سازی صوتی

اغلب، مایعات حاوی حباب های گاز هستند که در برابر انحلال توسط چسبیدن به ناخالصی یا سطح، مقاوم هستند. تحت تاثیر فشار ترقیق از موج صوتی، حباب می تواند از گاز محلول در مایعات و همچنین بخار جزئی از مایع بوجود بیاید. متناسب با اندازه این حباب ها، فرکانس و دامنه فشار فراصوت، تغییرات فشار موج صوتی حبا ب ها را در حرکت شعاعی قرار می دهد. در طول فاز ترقیق، فشار منفی موج صوتی، منجر به افزایش حباب تا شعاع بیشینه­ای می شود که گاهاً حباب را مشاهده پذیر می نماید. مرحله فشرده سازی بعدی منجر به انقباظ حباب می شود. برای شرایط خاص، کاواک (حفره) در یک حرکت غیر خطی قرار می گیرد و فروریختگی حفره¹ در بازه زمانی کوتاه با مرحله بزرگ شدنش مقایسه می شود (شکل ‏1‑6)، از اینرو دینامیک فروریختگی در مقایسه با جرم و انتقال حرارت آن بسیار سریع است. حباب ها ایجاد فشار بالا می کنند و دما در شرایط بی در رو، در محتوی حباب افزایش می یابد. دمای چندین هزار درجه، فشار صدها بار، و نرخ گرمایش و سرمایش بواسطه این شرایط در نقطه داغ² بدست می آید. فروریختگی با نوسان های تکرار شدنی همراه است، توجه کنید که بعد از بالا آمدن، تا فاز رقیق شدن بعدی، یک موج صوتی دوباره و یک حباب سازی دوباره رخ می دهد.

فشار صوتی و منحنی زمان برحسب شعاع برای یک حباب، تا رسیدن به نقطه داغ. در سمت راست بعضی مقادیر برای این فرایند برای شرایط نقطه داغ نمایش داده شده است.

تاثیر حفره ها و فروریختگی ها در واکنش های شیمیایی نقش مهمی ایفا می کنند که باعث ایجاد گرایشی به نام سونوشیمی شده است.

مراجع:

Khachatryan, A. Kh. et al.: Graphite-to-diamond transformation induced by ultrasonic cavitation. In: Diamond & Related Materials 17, 2008; pp931-936.

Galimov, Erik & Kudin, A. & Skorobogatskii, V. & Plotnichenko, V. & Bondarev, O. & Zarubin, B. & Strazdovskii, V. & Aronin, Alexandr & Fisenko, A. & Bykov, I. & Barinov, A.. (2004): Experimental corroboration of the synthesis of diamond in the cavitation process. Doklady Physics – DOKL PHYS. 49. 150-153.

Turcheniuk, K., Trecazzi, C., Deeleepojananan, C., & Mochalin, V. N. (2016): Salt-Assisted Ultrasonic Deaggregation of Nanodiamond. ACS Applied Materials & Interfaces, 8(38), 25461–25468.


 

1 collapse

2 Hot spot

i[] Sensible Sonochemistry, by Maikel M. van Iersel, Technische Universiteit Eindhoven, Eindhoven, 2008.