Täppispoleerimise valdkonnas on nanoteemantide äärmuslik Mohsi kõvadus 10 koos suure eripinna ja suure pinnaaktiivsusega nanomõõtmes. Kõvade ja rabedate materjalide, nagu ränikarbiid ja safiir, töötlemisel on need võimelised eemaldama aatomi -tasemel materjali. Naturaalsed nanoteemandi osakesed, mis on toodetud praegu levinud detonatsiooni ja kõrg{4}}temperatuuri kõrgrõhu (HTHP) sünteesimeetoditega, kipuvad aga spontaanselt aglomereeruma. Kui seda kasutatakse tooriku poleerimiseks, põhjustab see kergesti pinna kriimustusi, auke, halba tasasust ja muid probleeme, vähendades otseselt toote saagist. See piirab ka nende kasutamist määrdekatete, biosensingu, tipptasemel{8}}komposiitmaterjalide ja muudes valdkondades. Seetõttu on nanoteemantide tõhus deaglomeratsioon ja stabiilne hajutamine võtmetähtsusega nende silmapaistvate omaduste täielikuks ärakasutamiseks ja tipptasemel{10}rakendusturgude avamiseks. See artikkel algab nanoteemantide aglomeratsiooni põhjustega ja käsitleb nelja peamist tööstuses levinud deaglomeratsioonitehnoloogia teed.
Miks nanoteemandid kokku koonduvad?
Nanodiamondi osakesed on äärmiselt väikesed, nende läbimõõt on vaid 2–50 nanomeetrit ja neil on väga suur eripind. Füüsiliselt on nad oma olemuselt ebastabiilses olekus. Stabiilsema konfiguratsiooni saavutamiseks adsorbeeruvad need ülipeened osakesed spontaanselt üksteise külge ja aglomereeruvad-see on nende koondumiskalduvuse algpõhjus. Samal ajal on osakeste pindadel palju küllastumata aktiivseid kohti, mis adsorbeerivad kergesti niiskust ja lisandeid õhust, põhjustades veelgi osakeste tihedat kokkukleepumist ja süvendades kleepumise probleemi, moodustades tavapäraseid pehmeid aglomeraate. Tavaliselt hoiavad selliseid pehmeid aglomeraate koos peamiselt füüsilised jõud, nagu van der Waalsi jõud, elektrostaatiline külgetõmbejõud ja kapillaarjõud, kusjuures osakesed on peamiselt punkt- või nurkkontaktis, mille tulemuseks on suhteliselt nõrgad sidumisjõud.
Detonatsioonimeetodil toodetud nanoteemantide pinnal on aga jääklisandid, nagu grafiitne süsinik ja amorfne süsinik. Kõrgtemperatuuri -sünteesi käigus võivad külgnevad osakesed moodustada otse tugevad süsinik-süsinik sidemed. Koos pinnarühmade dehüdratsiooni ja kõvenemisega järgneva kuivatamise ja ladustamise ajal on selle tulemuseks lõpuks tihedad, tugevalt seotud kõvad aglomeraadid. Neid kõvasid aglomeraate ei saa tavalised välised jõud üksi lahti murda, mis kujutab endast tõsist väljakutset nanoteemantide kasutamisele.
Kuidas nanoteemante deaglomereerida?
Vastuseks ülaltoodud aglomeratsioonimehhanismidele on tööstus arendanud nanoteemantide jaoks mitut tüüpi deaglomeratsioonitehnoloogiaid, mille saab liigitada nelja põhikategooriasse: füüsikalised dispersioonimeetodid, anorgaanilised keemilised meetodid, suure{0}}energiavälja meetodid ja pinna keemilise modifitseerimise meetodid.
01 Füüsikalise dispersiooni meetodid
Füüsikalised dispersioonimeetodid tuginevad mehaanilistele jõududele, et ületada osakestevaheline külgetõmme ja purustada pehmed aglomeraadid. Sellised füüsikalised dispergeerimisvahendid ei saa aga tagada suspensiooni pikaajalist stabiilsust ja neid kasutatakse tavaliselt abi dispersioonitehnikatena. Levinud meetodid hõlmavad järgmist:
(1) Suure{0}}energiaga kuuljahvatamine: See on kõige levinum mehaaniline meetod. See kasutab mehaanilist energiat, mis tekib suurel-kiiretel kokkupõrgetel ja jahvatuskuulide vahel, et purustada mikronisuurused aglomeraadid nanomeetri skaalani. Tavaliselt tagab dispersioonikeskkond (nt vesi või alkoholid) määrimise ja esialgse stabiliseerimise, seega on märgkuuljahvatamine tõhusam kui kuivkuuljahvatamine.
(2) Ultraheli abil hajutamine: see meetod kasutab klastrite deaglomereerimiseks vedelikes kavitatsiooniefekti. Ultraheli levimisel tekivad vedelikus mikromullid. Ultrahelivälja perioodilise kokkusurumise ja nõrgenemise all kasvavad need mullid resonantsi suuruseks ja kukuvad seejärel ägedalt kokku. Hetkeline kokkuvarisemine tekitab väga väikeses ruumis lokaliseeritud kõrge temperatuuri, kõrge rõhu ja võimsaid lööklaineid, samuti kiireid mikrojoad, mis häirib van der Waalsi jõude, elektrostaatilist adsorptsiooni ja muid sidumisjõude osakeste vahel ning purustab suured aglomeraadid mikroni- kuni nanomõõtmelisteks üksikult hajutatud osakesteks.
02 Anorgaanilised keemilised meetodid
Anorgaanilised keemilised meetodid hõlmavad selliseid protsesse nagu happega pesemine, hüdrogeenimisega lõõmutamine ja oksüdatsioonilõõmutamine, et eemaldada nanoteemantide pinnalt metalliühendid ja mitteteemantne süsinik (sealhulgas grafiit ja amorfne süsinik), vähendades seeläbi tõhusalt kõva aglomeratsiooni.
(1) Happepesu: Töötlemine tugevate hapetega, nagu lämmastikhape või vesinikkloriidhape, võib lahustada ja eemaldada metallilisi lisandeid, viies samal ajal nanodiamondi pinnale- suure hulga hapnikku sisaldavaid funktsionaalrühmi, -nagu karboksüül- (-COOH), hüdroksüül- (-OH) ja karbonüülrühm (C=O). Vesilahustes need polaarsed rühmad ioniseeruvad, andes osakestele negatiivse pinnalaengu, tekitades osakeste vahel elektrostaatilist tõrjumist ja takistades seega aglomeratsiooni.
(2) Oksüdatsioonilõõmutamine: Nanoteemantide kuumutamine õhus või hapniku atmosfääris toob pinnale samamoodi hapnikku sisaldavad funktsionaalrühmad. Võrreldes vedelfaasilise happelise oksüdatsiooniga, seisneb selle eelis selles, et töötlemisel ei teki vedelaid jäätmeid, mistõttu see sobib suuremahuliseks pidevaks tootmiseks.
(3) Hüdrogeenimine lõõmutamine: Erinevalt oksüdatsioonist hõlmab hüdrogeenimisega lõõmutamine nanoteemantide kuumutamist kõrgel temperatuuril vesiniku atmosfääris, et eemaldada hapnikku sisaldavad pinnarühmad, moodustades vesinikuga lõppeva pinna (nt -CH₂ rühmad). Pärast hüdrogeenimistöötlust muutub nanoteemantpind hüdrofoobseks, parandades oluliselt selle dispergeeritavust mittepolaarsetes lahustites.
03 Suure energiatarbega väljameetodid
Kõrge energiavälja meetodid kasutavad ekstreemseid füüsilisi välju, nagu laserid või plasma, et mõjuda otse aglomeeritud struktuuridele, hävitades tõhusalt ja puhtalt nanoteemantide kõvad aglomeraadid ning soodustades stabiilset hajumist keskkonnas.
(1) Plasma abil dispersioon: Plasma tekitatud suure energiaga osakesed (nt ioonid, elektronid) pommitavad nanoteemandi aglomeraate, tekitades mitte ainult tugevaid füüsilisi mõjusid ja mikrojoad, vaid ka otseselt purustades kovalentseid sidemeid nanoteemantosakeste vahel ja muutes nende pinna keemilisi olekuid, mis lõppkokkuvõttes häirib kõva aglomeratsiooni.
(2) Laseri abil hajutamine: Laserite ülikõrge energiatihedus võib ühelt poolt otse katkestada kovalentsed sidemed nanoteemantosakeste vahel (eriti pinnapealsed sidemed sp²-hübridiseeritud süsinikukihi ja sp³ teemantsüdamiku vahel) ning ka molekulidevahelised van der Waalsi jõud. Teisest küljest võib laserenergia absorbeerida vedelas keskkonnas, näiteks vees, käivitades laviini ionisatsiooni ja tekitades plasma vooge. Plasma äkiline äkiline paisumine tekitab lokaalselt tugevaid lööklaineid, mis mõjutavad ja lõhuvad nanoteemandi aglomeraatide füüsiliselt seotud struktuuri, saavutades seeläbi tõhusa deaglomeratsiooni.
04 Pinna orgaaniline keemiline modifitseerimine
Aglomereerumine on iseeneslik madala aktivatsioonienergiaga protsess. Isegi kui aglomeraadid on väliste jõudude toimel ajutiselt osadeks purustatud, kuni osakeste pinna olek pole põhimõtteliselt muutunud, agregeeruvad äsja paljastatud pinnad ülalnimetatud jõudude toimel kiiresti uuesti. Pinna orgaaniline keemiline modifitseerimine on seetõttu oluline vahend dispersiooni stabiilsuse säilitamiseks pärast deaglomeratsiooni, muutes osakeste pinna olekut. Praegu hõlmavad peamised lähenemisviisid arüülimist, sulfoonimise-teemantide funktsionaliseerimist ja fotosiirdamist.
(1) Arüülimine: Aromaatsete tsüklirühmade, nagu fenüül või naftüül, viimine nanoteemantpinnale võib hõivata pinnal rippuvaid sidemeid, samas kui nende jäigast struktuurist tulenev steeriline takistus takistab tõhusalt osakeste lähenemist. Lisaks võivad sisestatud aromaatsed tsüklid olla edasise funktsionaliseerimise kinnituspunktid.
(2) Sulfoneerimine: sulfoonhapperühmade (-SO₃H) viimine nanoteemantpinnale sulfoonimisreaktsioonide kaudu. Sulfoonhapperühmad on tugevalt happelised ja vesilahuses täielikult ioniseeruvad, muutes oluliselt osakeste pinna zeta potentsiaali. See tekitab nanoteemantosakeste vahel tugeva elektrostaatilise tõuke, tõrjudes tõhusalt van der Waalsi külgetõmbejõudu ja vältides uuesti aglomeratsiooni, saavutades seeläbi deaglomeratsiooni ja säilitades stabiilse dispersiooni. Samal ajal muudab sulfoonimine nanoteemantide pinnakeemiat, suurendades pinna polaarsust ja märgatavalt parandades osakeste märguvust polaarsetes lahustites (nt vees).
(3) Fotografeerimine: Ultraviolett- või nähtava valguse kiiritamine nanoteemantpinna ergastamiseks või fotosensibilisaatorite kasutamine vabade radikaalide tekitamiseks, mis käivitavad olefiinsete monomeeride polümerisatsiooni pinnal, pookides pikki polümeeriahelaid. Levinud pookimismonomeeride hulka kuuluvad akrüülhape, akrüülamiid, metüülmetakrülaat jne. Polümeerahelad eeldavad lahustites laiendatud konformatsioone, moodustades steerilise takistuskihi, mille paksus ulatub mitmest nanomeetrist kuni kümnete nanomeetriteni. Tõukejõud suureneb järsult, kui osakestevaheline kaugus väheneb, mistõttu on see üks tõhusamaid vahendeid aglomeratsiooni vältimiseks. Fotografeerimise eelised hõlmavad kergeid reaktsioonitingimusi ning pookimise tiheduse ja ahela pikkuse täpset reguleerimist kiiritusaja ja monomeeri kontsentratsiooni reguleerimise teel.