Precīzas pulēšanas jomā nanodimantiem ir ārkārtēja Mosa cietība 10, kā arī liels īpatnējais virsmas laukums un augsta virsmas aktivitāte nanomērogā. Apstrādājot cietus un trauslus materiālus, piemēram, silīcija karbīdu un safīru, tie spēj noņemt materiālus atomu līmenī. Tomēr vietējās nanodimanta daļiņas, ko rada pašlaik plaši izplatītās detonācijas un augstas -temperatūras augsta spiediena (HTHP) sintēzes metodes, mēdz spontāni aglomerēties. Lietojot sagataves pulēšanai, tas viegli izraisa virsmas skrāpējumus, bedrītes, sliktu līdzenumu un citas problēmas, tieši samazinot produkta iznākumu. Tas arī ierobežo to pielietojumu eļļošanas pārklājumos, bioloģiskajā sensorā, augstākās klases{8}}kompozītmateriālos un citās jomās. Tāpēc efektīva nanodimantu deaglomerācija un stabila izkliede ir galvenais faktors, lai pilnībā izmantotu to izcilās īpašības un atvērtu augstākās klases lietojumu tirgus. Šis raksts sākas ar nanodimantu aglomerācijas cēloņiem un apskata četrus galvenos nozarē izplatītos deaglomerācijas tehnoloģiju ceļus.
Kāpēc nanodimanti sakrājas kopā?
Nanodimanta daļiņas ir ārkārtīgi mazas, to diametrs ir tikai no 2 līdz 50 nanometriem, un tām ir ļoti liels īpatnējais virsmas laukums. Fiziski tie pēc būtības atrodas nestabilā stāvoklī. Lai panāktu stabilāku konfigurāciju, šīs īpaši smalkās daļiņas spontāni adsorbējas viena pie otras un aglomerējas,{4}}tas ir galvenais iemesls to tendencei grupēties. Tajā pašā laikā daļiņu virsmās ir daudz nepiesātinātu aktīvo vietu, kas viegli adsorbē mitrumu un piemaisījumus no gaisa, vēl vairāk izraisot daļiņu ciešu saķeri kopā un saasinot salipšanas problēmu, veidojot parastus mīkstus aglomerātus. Parasti šādus mīkstus aglomerātus galvenokārt satur kopā fiziski spēki, piemēram, van der Vāla spēki, elektrostatiskā pievilcība un kapilārie spēki, un daļiņas galvenokārt atrodas punktveida vai leņķiskā kontaktā, kā rezultātā rodas relatīvi vāji savienošanas spēki.
Tomēr nanodimantiem, kas ražoti ar detonācijas metodi, uz to virsmām ir atlikušie piemaisījumi, piemēram, grafīta ogleklis un amorfs ogleklis. Augstas temperatūras sintēzes laikā blakus esošās daļiņas var tieši veidot spēcīgas oglekļa–oglekļa saites. Kopā ar virsmas grupu dehidratāciju un sacietēšanu turpmākās žāvēšanas un uzglabāšanas laikā, tas galu galā rada blīvus, stipri savienotus cietus aglomerātus. Šos cietos aglomerātus nevar sadalīt atsevišķi parasti ārējie spēki, radot nopietnu izaicinājumu nanodimantu izmantošanai.
Kā deaglomerēt nanodimantus?
Reaģējot uz iepriekš minētajiem aglomerācijas mehānismiem, nozare ir izstrādājusi vairāku veidu deaglomerācijas tehnoloģijas nanodimantiem, kuras var iedalīt četrās galvenajās kategorijās: fizikālās dispersijas metodes, neorganiskās ķīmiskās metodes, augstas{0}enerģijas lauka metodes un virsmas ķīmiskās modifikācijas metodes.
01 Fizikālās dispersijas metodes
Fiziskās izkliedes metodes balstās uz mehāniskiem spēkiem, lai pārvarētu starpdaļiņu pievilcību un piespiedu kārtā sadalītu mīkstus aglomerātus. Tomēr šādi fizikāli izkliedēšanas līdzekļi nevar garantēt suspensijas stabilitāti ilgtermiņā, un tos parasti izmanto kā papildu izkliedēšanas paņēmienus. Kopējās metodes ietver:
(1) Augstas{0}}enerģijas lodīšu frēzēšana: šī ir visizplatītākā mehāniskā metode. Tas izmanto mehānisko enerģiju, ko rada ātrgaitas sadursmes un slīpēšanas lodīšu griešana, lai sasmalcinātu mikronu lieluma aglomerātus līdz nanometru skalai. Parasti dispersijas vide (piemēram, ūdens vai spirti) nodrošina eļļošanu un iepriekšēju stabilizāciju, tāpēc slapjā lodes frēzēšana ir efektīvāka nekā sausā lodīšu frēzēšana.
(2) Izkliedēšana ar ultraskaņu: Šī metode izmanto kavitācijas efektu šķidrumos, lai deaglomerētu kopas. Ultraskaņas izplatīšanās laikā šķidrumā veidojas mikroburbuļi. Periodiskas ultraskaņas lauka saspiešanas un retināšanas rezultātā šie burbuļi pieaug līdz rezonanses izmēram un pēc tam vardarbīgi sabrūk. Tūlītējais sabrukums rada lokālus augstas temperatūras, augsta spiediena un spēcīgus triecienviļņus, kā arī liela ātruma mikrostrūklas ļoti mazā telpā, tādējādi izjaucot van der Vālsa spēkus, elektrostatisko adsorbciju un citus saistīšanas spēkus starp daļiņām un sadalot lielus aglomerātus mikronu līdz nanomēroga atsevišķi izkliedētās daļiņās.
02 Neorganiskās ķīmiskās metodes
Neorganiskās ķīmiskās metodes ietver tādus procesus kā mazgāšana ar skābi, hidrogenēšanas atkausēšana un oksidācijas atkausēšana, lai no nanodimantu virsmas noņemtu metāliskus savienojumus un oglekli, kas nav dimanta ogleklis (tostarp grafīts un amorfs ogleklis), tādējādi efektīvi samazinot cieto aglomerāciju.
(1) Skābes mazgāšana: Apstrāde ar spēcīgām skābēm, piemēram, slāpekļskābi vai sālsskābi, var izšķīdināt un noņemt metāliskus piemaisījumus, vienlaikus uz nanodiamonda virsmas ienesot lielu skaitu skābekli saturošu funkcionālo grupu-, piemēram, karboksilgrupu (-COOH), hidroksilgrupu (-OH) un karbonilgrupu (C=O). Ūdens šķīdumos šīs polārās grupas jonizējas, piešķirot daļiņām negatīvu virsmas lādiņu, radot elektrostatisko atgrūšanos starp daļiņām un tādējādi kavējot aglomerāciju.
(2) Oksidācijas atkausēšana: karsējot nanodimantus gaisa vai skābekļa atmosfērā, uz virsmas tiek ieviestas skābekli saturošas funkcionālās grupas. Salīdzinājumā ar šķidrās fāzes skābo oksidēšanu, tās priekšrocība ir tāda, ka apstrādes laikā neveidojas šķidrie atkritumi, tāpēc tas ir piemērots liela mēroga nepārtrauktai ražošanai.
(3) Hidrogenēšanas atkausēšana: Atšķirībā no oksidācijas, hidrogenēšanas atkausēšana ietver nanodimantu karsēšanu augstā temperatūrā ūdeņraža atmosfērā, lai noņemtu skābekli saturošas virsmas grupas, veidojot virsmu, kas beidzas ar ūdeņradi (piemēram, -CH₂ grupas). Pēc hidrogenēšanas apstrādes nanodimanta virsma kļūst hidrofoba, ievērojami uzlabojot tās izkliedējamību nepolāros šķīdinātājos.
03 Augstas enerģijas lauka metodes
Augstas enerģijas lauka metodes izmanto ekstrēmus fiziskos laukus, piemēram, lāzerus vai plazmu, lai iedarbotos tieši uz aglomerētajām struktūrām, efektīvi un tīri iznīcinot cietos nanodimantu aglomerātus un veicinot stabilu izkliedi vidē.
(1) Plazmas dispersijaPlazmas radītās lielas enerģijas daļiņas (piemēram, joni, elektroni) bombardē nanodimantu aglomerātus, radot ne tikai spēcīgus fiziskus triecienus un mikrostrūklas, bet arī tieši saraujot kovalentās saites starp nanodimanta daļiņām un mainot to virsmas ķīmiskos stāvokļus, galu galā izjaucot cieto aglomerāciju.
(2) Izkliedēšana ar lāzeru: Lāzeru īpaši augstais enerģijas blīvums, no vienas puses, var tieši saraut kovalentās saites starp nanodimanta daļiņām (īpaši saskarnes saites starp virsmas sp²-hibridizēto oglekļa slāni un sp³ dimanta kodolu), kā arī starpmolekulāros van der Vālsa spēkus. No otras puses, lāzera enerģiju var absorbēt šķidrie līdzekļi, piemēram, ūdens, izraisot lavīnu jonizāciju un radot plazmas strūklas. Plazmas momentānā vardarbīgā izplešanās lokāli rada spēcīgus triecienviļņus, ietekmējot un salaužot nanodimantu aglomerātu fiziski saistīto struktūru, tādējādi panākot efektīvu deaglomerāciju.
04 Virsmas organiskā ķīmiskā modifikācija
Aglomerācija ir spontāns process ar zemu aktivācijas enerģiju. Pat ja ārējie spēki īslaicīgi sadala aglomerātus, kamēr daļiņu virsmas stāvoklis nav būtiski mainījies, tikko atklātās virsmas ātri atkal agregēsies, izmantojot iepriekšminētos spēkus. Tāpēc virsmas organiskā ķīmiskā modifikācija ir būtisks līdzeklis, lai saglabātu dispersijas stabilitāti pēc deaglomerācijas, mainot daļiņu virsmas stāvokli. Pašlaik galvenās pieejas ietver arilēšanu, sulfonēšanas-dimanta funkcionalizāciju un fotografēšanu.
(1) Arilēšana: Aromātisku gredzenu grupu, piemēram, fenila vai naftila, ievadīšana uz nanodimanta virsmas var aizņemt virsmas karājas saites, savukārt to stingrās struktūras radītais steriskais šķērslis efektīvi novērš daļiņu tuvošanos. Turklāt ieviestie aromātiskie gredzeni var kalpot kā enkura punkti turpmākai funkcionalizācijai.
(2) Sulfonēšana: Sulfonskābes grupu (-SO₃H) ievadīšana uz nanodimanta virsmas, izmantojot sulfonēšanas reakcijas. Sulfonskābes grupas ir stipri skābas un pilnībā jonizējas ūdens šķīdumā, būtiski mainot daļiņu virsmas zeta potenciālu. Tas rada spēcīgu elektrostatisko atgrūšanos starp nanodimanta daļiņām, efektīvi novēršot van der Vāla pievilcību un novēršot atkārtotu aglomerāciju, tādējādi panākot deaglomerāciju un saglabājot stabilu izkliedi. Tajā pašā laikā sulfonēšana maina nanodimantu virsmas ķīmiju, uzlabojot virsmas polaritāti un ievērojami uzlabojot daļiņu mitrināmību polārajos šķīdinātājos (piemēram, ūdenī).
(3) Fotografēšana: izmantojot ultravioleto vai redzamo gaismu, lai ierosinātu nanodimanta virsmu vai fotosensibilizatorus, lai radītu brīvos radikāļus, kas ierosina olefīna monomēru polimerizāciju uz virsmas, potējot garas polimēru ķēdes. Parastie potēšanas monomēri ir akrilskābe, akrilamīds, metilmetakrilāts utt. Polimēru ķēdēm ir paplašinātas konformācijas šķīdinātājos, veidojot sterisku šķēršļu slāni, kura biezums ir no vairākiem nanometriem līdz desmitiem nanometru. Atgrūšanas spēks strauji palielinās, samazinoties starpdaļiņu attālumam, padarot to par vienu no efektīvākajiem līdzekļiem aglomerācijas novēršanai. Fotografēšanas priekšrocības ietver vieglus reakcijas apstākļus un precīzu potēšanas blīvuma un ķēdes garuma kontroli, pielāgojot apstarošanas laiku un monomēra koncentrāciju.