Fil-qasam tal-illustrar ta 'preċiżjoni, in-nanodjamanti jippossjedu ebusija Mohs estrema ta' 10, flimkien ma 'erja tal-wiċċ speċifika għolja u attività għolja tal-wiċċ fin-nanoskala. Meta tipproċessa materjali iebsa u fraġli bħal karbur tas-silikon u żaffir, huma kapaċi li jneħħu materjal fil-livell atomiku-. Madankollu, il-partiċelli nativi tan-nanodjamanti prodotti mid-detonazzjoni mainstream bħalissa u l-metodi ta' sinteżi ta'-temperatura għolja-pressjoni għolja (HTHP) għandhom it-tendenza li jgħaqqdu b'mod spontanju. Meta jintuża fl-illustrar tal-biċċa tax-xogħol, dan faċilment jikkawża grif tal-wiċċ, fosos, flatness fqir, u kwistjonijiet oħra, li jnaqqas direttament ir-rendiment tal-prodott. Hija tillimita wkoll l-applikazzjoni tagħhom f'kisjiet lubrikanti, biosensing, materjali komposti high-, u oqsma oħra. Għalhekk, id-diżagglomerazzjoni effettiva u t-tixrid stabbli tan-nanodjamanti huma essenzjali biex jiġu sfruttati bis-sħiħ il-proprjetajiet pendenti tagħhom u biex jinfetħu-swieq tal-applikazzjonijiet high-end. Dan l-artikolu jibda bil-kawżi tal-agglomerazzjoni tan-nanodjamanti u jirrevedi l-erba 'rotot ewlenin tat-teknoloġija tad-deagglomerazzjoni prevalenti fl-industrija.
Għaliex in-nanodjamanti jingħaqdu flimkien?
Il-partiċelli tan-nanodjamanti huma estremament żgħar, b'dijametri li jvarjaw minn 2 sa 50 nanometri biss, u għandhom erja tal-wiċċ speċifika kbira ħafna. Fiżikament, huma intrinsikament fi stat instabbli. Biex tinkiseb konfigurazzjoni aktar stabbli, dawn il-partiċelli ultrafini jassorbu b'mod spontanju ma' xulxin u jgħaqqdu-din hija l-kawża ewlenija tat-tendenza tagħhom li jgħaqqdu. Fl-istess ħin, l-uċuħ tal-partiċelli għandhom ħafna siti attivi mhux saturati li jassorbu faċilment l-umdità u l-impuritajiet mill-arja, u aktar jikkawża li l-partiċelli jaderixxu sewwa flimkien u jaggravaw il-problema ta 'clumping, li jiffurmaw agglomerati rotob konvenzjonali. Tipikament, tali agglomerati rotob jinżammu prinċipalment flimkien minn forzi fiżiċi bħal forzi ta 'van der Waals, attrazzjoni elettrostatika, u forzi kapillari, b'partiċelli primarjament f'kuntatt punt jew angolari, li jirriżultaw f'forzi ta' twaħħil relattivament dgħajfa.
Madankollu, in-nanodjamanti prodotti bil-metodu ta 'detonazzjoni għandhom impuritajiet residwi fuq l-uċuħ tagħhom, bħal karbonju grafitiku u karbonju amorfu. Matul is-sinteżi ta'-temperatura għolja, partiċelli li jmissu magħhom jistgħu jiffurmaw direttament rabtiet qawwija tal-karbonju-karbonju. Flimkien mad-deidrazzjoni u t-tqaddid tal-gruppi tal-wiċċ matul it-tnixxif u l-ħażna sussegwenti, dan fl-aħħar jirriżulta f'agglomerati iebsin densi u magħqudin b'mod qawwi. Dawn l-agglomerati iebsin ma jistgħux jitkissru minn forzi esterni ordinarji biss, li joħolqu sfida serja għall-applikazzjoni tan-nanodjamanti.
Kif deagglomerate nanodjamanti?
Bi tweġiba għall-mekkaniżmi ta 'agglomerazzjoni ta' hawn fuq, l-industrija żviluppat tipi multipli ta 'teknoloġiji ta' deagglomerazzjoni għan-nanodjamanti, li jistgħu jiġu kklassifikati f'erba 'kategoriji ewlenin: metodi ta' dispersjoni fiżika, metodi kimiċi inorganiċi, metodi ta 'kamp ta' enerġija għolja -, u metodi ta 'modifikazzjoni kimika tal-wiċċ.
01 Metodi ta' Dispersjoni Fiżika
Il-metodi ta 'dispersjoni fiżika jiddependu fuq forzi mekkaniċi biex jegħlbu l-attrazzjoni bejn il-partiċelli u jkissru bil-forza l-agglomerati rotob. Madankollu, tali mezzi ta' dispersjoni fiżika ma jistgħux jiggarantixxu stabbiltà fit-tul tas-sospensjoni u huma tipikament użati bħala tekniki awżiljarji ta' dispersjoni. Metodi komuni jinkludu:
(1) Tħin bil-ballun ta'-enerġija għolja: Dan huwa l-aktar metodu mekkaniku komuni. Juża l-enerġija mekkanika ġġenerata minn ħabtiet ta' veloċità għolja-u shearing bejn blalen tat-tħin biex tfarrak agglomerati ta' daqs mikron sal-iskala tan-nanometru. Tipikament, mezz ta 'dispersjoni (eż., ilma jew alkoħol) jipprovdi lubrikazzjoni u stabbilizzazzjoni preliminari, għalhekk it-tħin bil-ballun imxarrab huwa aktar effiċjenti mit-tħin bil-ballun niexef.
(2) Dispersjoni assistita bl-ultrasound: Dan il-metodu juża l-effett tal-cavitation f'likwidi biex deagglomerate clusters. Matul il-propagazzjoni ultrasonika, il-mikrobubbles jiffurmaw fil-likwidu. Taħt il-kompressjoni perjodika u r-rarefazzjoni tal-kamp ultrasoniku, dawn il-bżieżaq jikbru sa daqs ta 'reżonanza u mbagħad jiġġarfu b'mod vjolenti. Il-kollass istantanju jiġġenera temperatura għolja lokalizzata, pressjoni għolja u mewġ ta’ xokk qawwi kif ukoll mikroġettijiet ta’ veloċità għolja fi spazju żgħir ħafna, u b’hekk ifixkel il-forzi ta’ van der Waals, assorbiment elettrostatiku, u forzi oħra li jorbtu bejn il-partiċelli, u jkissru agglomerati kbar f’partiċelli mxerrda individwalment minn mikron sa nanoskala.
02 Metodi Kimiċi Inorganiċi
Metodi kimiċi inorganiċi jinvolvu proċessi bħal ħasil ta 'aċidu, ittemprar ta' idroġenazzjoni, u ttemprar ta 'ossidazzjoni biex jitneħħew komposti metalliċi u karbonju mhux tad-djamanti (inkluż grafit u karbonju amorfu) mill-wiċċ tan-nanodjamanti, u b'hekk titnaqqas b'mod effettiv l-agglomerazzjoni iebsa.
(1) Ħasil bl-aċidu: It-trattament b'aċidi qawwija bħall-aċidu nitriku jew l-aċidu idrokloriku jista' jinħall u jneħħi l-impuritajiet metalliċi, filwaqt li jintroduċi wkoll numru kbir ta' gruppi funzjonali li fihom l-ossiġnu-bħal carboxyl (-COOH), hydroxyl (-OH), u karbonil (C=O) gruppi ta' wiċċ ta'{{4}mondi}on. F'soluzzjonijiet milwiema, dawn il-gruppi polari jonizzaw, jagħtu ċarġ tal-wiċċ negattiv lill-partiċelli, jiġġeneraw repulsjoni elettrostatika bejn il-partiċelli u b'hekk ixekklu l-agglomerazzjoni.
(2) Ittemprar ta' ossidazzjoni: It-tisħin tan-nanodjamanti f'atmosferi tal-arja jew tal-ossiġnu jintroduċi b'mod simili gruppi funzjonali li fihom l-ossiġnu fuq il-wiċċ. Meta mqabbel mal-ossidazzjoni tal-aċidu tal-fażi likwida, il-vantaġġ tagħha jinsab fin-nuqqas ta 'ġenerazzjoni ta' skart likwidu waqt l-ipproċessar, li jagħmilha adattata għal produzzjoni kontinwa fuq skala kbira.
(3) Ittemprar ta' idroġenazzjoni: B'kuntrast mal-ossidazzjoni, it-ttemprar tal-idroġenazzjoni jinvolvi tisħin nanodjamanti f'temperatura għolja f'atmosfera tal-idroġenu biex jitneħħew gruppi tal-wiċċ li fihom l-ossiġnu, li jiffurmaw wiċċ terminat bl-idroġenu (eż., -CH₂ gruppi). Wara t-trattament ta 'idroġenazzjoni, il-wiċċ tan-nanodjamant isir idrofobiku, u jtejjeb b'mod sinifikanti t-tixrid tiegħu f'solventi mhux polari.
03 Metodi ta' Qasam ta' Enerġija Għolja
Metodi ta 'kamp ta' enerġija għolja jużaw kampijiet fiżiċi estremi bħal lejżers jew plażma biex jaġixxu direttament fuq l-istrutturi agglomerati, jeqirdu b'mod effiċjenti u nadif agglomerati iebsin ta 'nanodjamanti u jippromwovu tixrid stabbli fil-midja.
(1) Dispersjoni megħjuna mill-plażma: Partiċelli ta' enerġija għolja (eż., joni, elettroni) ġġenerati mill-plażma jibbumbardjaw l-agglomerati tan-nanodjamanti, mhux biss jipproduċu impatti fiżiċi qawwija u mikroġettijiet, iżda wkoll jiksru direttament rabtiet kovalenti bejn partiċelli tan-nanodjamanti u jbiddlu l-istati kimiċi tal-wiċċ tagħhom, u fl-aħħar mill-aħħar ifixklu l-agglomerazzjoni iebsa.
(2) Dispersjoni assistita bil-laser: Id-densità ta 'enerġija ultra-għolja tal-lejżers tista', minn naħa waħda, tkisser direttament rabtiet kovalenti bejn partiċelli nanodjamanti (speċjalment ir-rabtiet interfaċjali bejn is-saff tal-karbonju sp²-ibridizzat tal-wiċċ u l-qalba tad-djamanti sp³) kif ukoll forzi intermolekulari van der Waals. Min-naħa l-oħra, l-enerġija tal-lejżer tista 'tiġi assorbita minn midja likwida bħall-ilma, li tikkawża jonizzazzjoni tal-valanga u tiġġenera plumes tal-plażma. L-espansjoni vjolenti istantanja tal-plażma toħloq mewġ ta 'xokk qawwi lokalment, li tħalli impatt u tkisser l-istruttura marbuta fiżikament ta' agglomerati tan-nanodjamanti, u b'hekk tikseb deagglomerazzjoni effiċjenti.
04 Modifika Kimika Organika tal-wiċċ
L-agglomerazzjoni hija proċess spontanju b'enerġija ta 'attivazzjoni baxxa. Anke jekk l-agglomerati jitkissru temporanjament minn forzi esterni, sakemm l-istat tal-wiċċ tal-partiċelli ma jkunx inbidel b'mod fundamentali, l-uċuħ li għadhom kif ġew esposti se jerġgħu jinġabru malajr permezz tal-forzi msemmija hawn fuq. Il-modifika kimika organika tal-wiċċ hija għalhekk mezz essenzjali biex tinżamm l-istabbiltà tad-dispersjoni wara d-deagglomerazzjoni billi tbiddel l-istat tal-wiċċ tal-partiċelli. Bħalissa, l-approċċi ewlenin jinkludu arilazzjoni, sulfonazzjoni-funzjonalizzazzjoni tad-djamanti, u fotografting.
(1) Arilazzjoni: L-introduzzjoni ta 'gruppi ta' ċrieki aromatiċi bħal fenil jew naftil fuq il-wiċċ tan-nanodjamanti jistgħu jokkupaw siti ta 'bonds dangling tal-wiċċ, filwaqt li t-tfixkil steriku pprovdut mill-istrutturi riġidi tagħhom effettivament jipprevjeni l-approċċ tal-partiċelli. Barra minn hekk, iċ-ċrieki aromatiċi introdotti jistgħu jservu bħala punti ta 'ankraġġ għal aktar funzjonalizzazzjoni.
(2) Sulfonazzjoni: L-introduzzjoni ta' gruppi ta' aċidu sulfoniku (-SO₃H) fuq il-wiċċ tan-nanodjamanti permezz ta' reazzjonijiet ta' sulfonazzjoni. Gruppi ta 'aċidu sulfoniku huma aċidużi b'mod qawwi u jonizzaw bis-sħiħ f'soluzzjoni milwiema, u jibdlu b'mod sinifikanti l-potenzjal zeta tal-wiċċ tal-partiċelli. Dan jiġġenera repulżjoni elettrostatika qawwija bejn il-partiċelli tan-nanodjamanti, li jikkontrobattu b'mod effettiv l-attrazzjoni ta 'van der Waals u jipprevjeni r-ri-agglomerazzjoni, u b'hekk tinkiseb deagglomerazzjoni u żżomm dispersjoni stabbli. Fl-istess ħin, is-sulfonazzjoni tbiddel il-kimika tal-wiċċ tan-nanodjamanti, ittejjeb il-polarità tal-wiċċ u ttejjeb notevolment it-tixrib tal-partiċelli f'solventi polari (eż. ilma).
(3) Photografting: L-użu ta 'irradjazzjoni ta' dawl ultravjola jew viżibbli biex teċita l-wiċċ tan-nanodjamanti jew fotosensittivi biex jiġġeneraw radikali ħielsa, li jibdew polimerizzazzjoni ta 'monomeri olefiniċi fuq il-wiċċ, tilqim ktajjen twal tal-polimeri. Monomeri tat-tilqim komuni jinkludu aċidu akriliku, akrilammid, metakrilat tal-metil, eċċ. Il-ktajjen tal-polimer jassumu konformazzjonijiet estiżi f'solventi, li jiffurmaw saff ta 'tfixkil steriku bi ħxuna li tvarja minn diversi nanometri għal għexieren ta' nanometri. Il-forza repulsiva tiżdied drastikament hekk kif id-distanza bejn il-partiċelli tonqos, u b'hekk dan ikun wieħed mill-aktar mezzi effettivi biex jipprevjeni l-agglomerazzjoni. Il-vantaġġi tal-fotografting jinkludu kundizzjonijiet ta 'reazzjoni ħafifa u kontroll preċiż tad-densità tat-tilqim u t-tul tal-katina billi jaġġustaw il-ħin tal-irradjazzjoni u l-konċentrazzjoni tal-monomeru.