Do lực lượng lỗ trống rất mạnh của nó, siêu âm công suất  là một kỹ thuật đầy hứa hẹn để sản xuất kim cương micron và kim cương nano từ graphite.

Các tinh thể nano và micro có thể tổng hợp bằng cách siêu âm một hệ thống huyền phù của 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 để xử lý hậu kim cương nano tổng hợp, chẳng hạn như siêu âm phân tán, rã đống và chức năng hóa nano hạt rất hiệu quả.

Siêu âm cho xử lý Kim cương Nano

Kim cương Nano (còn gọi là kim cương nổ (DND) hoặc kim cương siêu mỏng (UDD)) là dạng đặc biệt của vật liệu nano cacbon phân biệt bởi các đặc điểm độc nhất - chẳng hạn như cấu trúc mạng, bề mặt lớn, cũng như tính chất quang học và từ duy nhất. Các tính chất của các hạt siêu mỏng làm cho các vật liệu này trở thành hợp chất tiên tiến tạo ra các vật liệu mới lạ với các chức năng phi thường. Kích thước của các hạt kim cương trong than chì là khoảng 5nm.

Kim cương Nano tổng hợp bằng siêu âm

Tổng hợp kim cương là một lĩnh vực nghiên cứu quan trọng liên quan đến lợi ích khoa học và thương mại. Quy trình thường được sử dụng để tổng hợp các hạt kim cương tinh thể nano và tinh thể micro là kỹ thuật nhiệt độ cao áp suất cao (HPHT). Theo phương pháp này, áp lực xử lý đòi hỏi hàng chục nghìn atmosphere và nhiệt độ hơn 2000K để tạo ra phần chủ yếu của nguồn cung cấp kim cương công nghiệp trên toàn thế giới. Đối với việc chuyển đổi than chì thành kim cương, nói chung áp suất cao và nhiệt độ cao là bắt buộc, và chất xúc tác được sử dụng để tăng năng suất của kim cương. Những yêu cầu cần thiết để chuyển đổi có thể rất hiệu quả bằng việc sử dụng siêu âm công suất cao (= tần số thấp, siêu âm cường độ cao):

 Lỗ trống siêu âm

Siêu âm trong chất lỏng gây ra các ảnh hưởng cực kỳ cục bộ. Khi siêu âm chất lỏng ở cường độ cao, các sóng âm thanh truyền vào các môi trường lỏng dẫn đến các chu kỳ xen kẽ áp lực cao (nén) và áp suất thấp (hiếm khí), với tốc độ phụ 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 được một thể tích mà tại đó chúng không còn hấp thụ năng lượng nữa, chúng sẽ nổ dữ dội trong một chu kỳ áp suất cao. Hiện tượng này được gọi là lỗ trống. Trong khi nổ nhiệt độ rất cao (khoảng 5.000K) và áp suất (xấp xỉ 2,000atm) đạt được cục bộ. Sự nổ của bong bóng lỗ trống dẫn đến các tia chất lỏng tốc độ lên tới 280m / s. Rõ ràng là các viên kim cương tinh thể macro và nano có thể được tổng hợp trong trường lỗ trống siêu âm.

Quy trình siêu âm để tổng hợp Kim cương Nano

Trên thực tế, nghiên cứu của Khachatryan (2008) cho thấy rằng các vi tinh thể kim cương cũng có thể được tổng hợp bằng cách siêu âm một huyền phù than chì trong chất lỏng hữu cơ ở áp suất khí quyển và nhiệt độ phòng. Chất vòng thơm đã được chọn làm chất lỏng lỗ trống do áp suất hơi bão hòa thấp và nhiệt độ sôi cao của nó. Trong chất lỏng này, bột graphite tinh khiết đặc biệt - với các hạt trong khoảng từ 100-200 µm - tạo huyền phù. Trong các thí nghiệm của Kachatryan và cộng sự, tỷ lệ khối lượng lỏng rắn là 1: 6, tỷ trọng chất lỏng lỗ trống là 1,1g cm-3 ở 25 ° C. Cường độ siêu âm tối đa trong bình phản ứng siêu âm là 75-80W cm-2 tương ứng với biên độ áp suất âm thanh 15-16 bar.

Có thể đạt được khoảng 10% chuyển đổi từ graphite sang kim cương. Các viên kim cương gần như đơn phân tán với một kích thước rõ nét trong khoảng 6 hoặc 9μm ± 0,5μm, dạng hình khối, hình thái tinh thể và độ tinh khiết cao.

Ảnh SEM của kim cương tổng hợp bằng siêu âm: hình ảnh (a) và (b) hiển thị chuỗi mẫu 1, (c) và (d) chuỗi mẫu 2.
[Khachatryan và cộng sự 2008]

Chi phí của kim cương micro và nano sản xuất theo phương pháp này được ước tính rất cạnh tranh với quy trình nhiệt độ cao áp suất cao (HPHT). Điều này khiến cho siêu âm trở thành một giải pháp thay thế sáng tạo để tổng hợp kim cương micro và nano (Khachatryan và cộng sự. 2008), đặc biệt là quá trình sản xuất kim cương nano có thể tối ưu hóa bằng cách khảo sát thêm. Nhiều thông số như biên độ, áp suất, nhiệt độ, chất lỏng lỗ trống, và nồng độ phải được kiểm tra chính xác để khám phá điểm tối ưu của tổng hợp siêu âm kim cương nano.

Nhờ các kết quả đạt được trong việc tổng hợp các kim cương nano, tạo ra các lỗ trống tạo ra bằng siêu âm có khả năng tổng hợp các hợp chất quan trọng khác, chẳng hạn như boron nitrit khối, cacbon nitrit v..v (Khachatryan và cộng sự 2008).

Hơn nữa, dường như như có thể tạo ra các dây nano kim cương và nanorod từ các ống nano cacbon đa lớp (MWCNT) dưới sự chiếu xạ siêu âm. Dây nano kim cương tương tự một chiều của kim cương rời. Do mô đun đàn hồi, tỷ lệ độ bền-trọng lượng cao và bề mặt được chức năng hóa dễ dàng, kim cương đã được xem như là vật liệu tối ưu cho các thiết kế cơ nano. (Sun và cộng sự 2004)

Phân tán siêu âm Kim cương Nano

Như đã mô tả, sự rã đống và phân bố kích thước hạt đồng đều trong môi trường là yếu tố cần thiết cho việc khai thác thành công các đặc điểm độc đáo của kim cương nano.

Phân tán và rã đống bằng siêu âm là kết quả của lỗ trống siêu âm. Khi tiếp xúc chất lỏng với siêu âm, sóng âm lan truyền vào chất lỏng dẫn theo các chu kỳ áp suất cao và áp suất thấp xen kẽ. Nó áp ứng suất cơ học vào lực hút giữa các hạt riêng biệt. Lỗ trống siêu âm trong chất lỏng tạo ra tia chất lỏng tốc độ cao lên đến 1000km / giờ (khoảng 600mph). Những tia như vậy ép chất lỏng ở áp suất cao giữa các hạt và tách chúng ra khỏi nhau. Các hạt nhỏ hơn được tăng tốc bằng tia chất lỏng và va chạm ở tốc độ cao. Nó làm cho siêu âm thành một phương tiện hiệu quả cho phân tán mà còn nghiền các hạt có kích thước micron và kích thước dưới micron.

Ví dụ, nano kim cương (kích thước trung bình khoảng 4nm) và polystyrene có thể phân tán trong cyclohexan cho một hỗn hợp đặc biệt. Trong nghiên cứu, Chipara và đồng sự (2010) đã tạo ra vật liệu tổng hợp polystyrene và kim cương nano, chứa kim cương nano trong khoảng từ 0 đến 25% trọng lượng. Để có được sự phân tán đồng đều, họ đã siêu âm dung dich trong 60 phút bằng máy UIP1000hd của Hielscher (1kW).

Chức năng hóa trợ giúp siêu âm Kim cương Nano

Để chức năng hóa bề mặt hoàn chỉnh của từng hạt có kích thước nano, bề mặt của hạt phải sẵn sàng phản ứng hóa học. Điều này có nghĩa là phải phân tán đều và tốt vì các hạt phân tán tốt bị bao quanh bởi một lớp biên các phân tử bị hút vào bề mặt hạt. Để có được các nhóm chức năng mới cho bề mặt của kim cương nano, lớp biên này phải bị 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 đưa vào chất lỏng tạo ra nhiều hiệu ứng cực đoan khác nhau như lỗ trống, nhiệt độ rất cao cục bộ lên đến 2000K và các tia chất lỏng lên đến 1000km / giờ. (Suslick 1998) Bằng các yếu tố ứng suất này, lực hấp dẫn (ví dụ như lực Van-der-Waals) có thể bị vượt qua và các phân tử chức năng có thể mang đến được bề mặt của hạt để thực hiện chức năng, ví dụ: bề mặt kim cương nano.

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

Các thí nghiệm liệu pháp tan rã hạt trợ giúp siêu âm (BASD) đã cho thấy kết quả đầy hứa hẹn cho việc chức năng hoa bề mặt của kim cương nano. Qua đó, các hạt (ví dụ: các hạt gốm micro như hạt ZrO2) đã được sử dụng để thực thi các lực siêu âm lỗ trống lên các hạt kim cương nano. Sự tan rã xảy ra do va chạm giữa các kim cương hạt nano và hạt ZrO2.

Do bề mặt hạt sẵn có, đối với các phản ứng hóa học như giảm Boran, aryl hóa hoặc silan hóa, siêu âm hoặc BASD (tan rã hạt hỗ trợ siêu âm) tiền xử lý cho mục đích phân tán được khuyên dùng. Bằng siêu âm phân tán và tan rã phản ứng hóa học có thể tiến hành hoàn toàn.