У области прецизног полирања, нанодијаманти поседују екстремну Мохсову тврдоћу од 10, заједно са великом специфичном површином и високом површинском активношћу на наноскали. Приликом обраде тврдих и крхких материјала као што су силицијум карбид и сафир, они су способни да уклоне материјал на атомском- нивоу. Међутим, природне честице нанодијаманта које се производе тренутно уобичајеном детонацијом и методама синтезе на високим{4}}температурама и високим{5}}притисцима (ХТХП) имају тенденцију да се спонтано агломерирају. Када се користи за полирање радног комада, ово лако узрокује површинске огреботине, удубљења, лошу равност и друге проблеме, директно смањујући принос производа. Такође ограничава њихову примену у премазима за подмазивање, биосензивању, врхунским-композитним материјалима и другим пољима. Због тога су ефикасна деагломерација и стабилна дисперзија нанодијаманата кључни за потпуно коришћење њихових изванредних својстава и откључавање{10}}врхунских тржишта апликација. Овај чланак почиње са узроцима агломерације нанодијаманата и даје преглед четири главна правца технологије деагломерације која преовлађују у индустрији.
Зашто се нанодијаманти групишу заједно?
Честице нанодијаманта су изузетно мале, са пречником од само 2 до 50 нанометара, и имају веома велику специфичну површину. Физички, они су инхерентно у нестабилном стању. Да би се постигла стабилнија конфигурација, ове ултрафине честице спонтано се адсорбују једна на другу и агломерирају-што је основни узрок њихове склоности груписању. У исто време, површине честица имају многа незасићена активна места која лако адсорбују влагу и нечистоће из ваздуха, што даље узрокује да се честице чврсто приањају једна уз другу и погоршавају проблем згрудавања, формирајући конвенционалне меке агломерате. Типично, такви меки агломерати се углавном држе заједно физичким силама као што су ван дер Валсове силе, електростатичко привлачење и капиларне силе, при чему су честице првенствено у тачком или угаоном контакту, што резултира релативно слабим силама везивања.
Међутим, нанодијаманти произведени методом детонације имају заостале нечистоће на својим површинама, као што су графитни угљеник и аморфни угљеник. Током -синтезе на високим температурама, суседне честице могу директно да формирају јаке везе угљеник–угљеник. Заједно са дехидратацијом и очвршћавањем површинских група током накнадног сушења и складиштења, ово на крају резултира густим, чврсто повезаним тврдим агломератима. Ове тврде агломерате не могу да разбију саме обичне спољне силе, што представља озбиљан изазов за примену нанодијаманата.
Како деагломерирати нанодијаманте?
Као одговор на горе наведене механизме агломерације, индустрија је развила више типова технологија деагломерације за нанодијаманте, које се могу класификовати у четири главне категорије: методе физичке дисперзије, неорганске хемијске методе, методе високо{0}}енергетских поља и методе хемијске модификације површине.
01 Методе физичке дисперзије
Методе физичке дисперзије ослањају се на механичке силе за превазилажење привлачења међу честицама и насилно разбијање меких агломерата. Међутим, таква средства физичке дисперзије не могу да гарантују дугорочну-стабилност суспензије и обично се користе као помоћне технике дисперзије. Уобичајене методе укључују:
(1) Високо{0}}енергијско глодање: Ово је најчешћи механички метод. Користи механичку енергију коју стварају-судари велике брзине и смицање између куглица за млевење да би дробили агломерате микронске величине до нанометарске скале. Типично, дисперзиони медијум (нпр. вода или алкохоли) обезбеђује подмазивање и прелиминарну стабилизацију, тако да је млевење мокрим куглицама ефикасније од млевења са сувим куглицама.
(2) Дисперзија уз помоћ ултразвука: Ова метода користи ефекат кавитације у течностима за деагломерацију кластера. Током ултразвучног ширења, микромехурићи се формирају у течности. Под периодичном компресијом и разређивањем ултразвучног поља, ови мехурићи расту до резонантне величине, а затим се силовито срушавају. Тренутачни колапс генерише локализоване високе температуре, висок притисак и моћне ударне таласе, као и микромлазове велике брзине у веома малом простору, чиме се ремете ван дер Валсове силе, електростатичка адсорпција и друге силе везивања између честица и разбијају велике агломерате у микронске до наноразмерне делове који се појединачно распршују.
02 Неорганске хемијске методе
Неорганске хемијске методе укључују процесе као што су испирање киселином, хидрогенационо жарење и оксидационо жарење за уклањање металних једињења и угљеника који није дијамантски (укључујући графит и аморфни угљеник) са површине нанодијаманата, чиме се ефикасно смањује тврда агломерација.
(1) Прање киселином: Третирање јаким киселинама као што су азотна киселина или хлороводонична киселина може да раствори и уклони металне нечистоће, док се такође уводи велики број функционалних група које садрже кисеоник- као што су карбоксил (-ЦООХ), хидроксил (-ОХ) и карбонил (Ц=}О) на површини{ на{4} дијамантске групе. У воденим растворима, ове поларне групе јонизују, дајући негативни површински набој честицама, стварајући електростатичко одбијање између честица и на тај начин ометајући агломерацију.
(2) Оксидационо жарење: Загревање нанодијаманата у атмосфери ваздуха или кисеоника на сличан начин уводи функционалне групе које садрже кисеоник на површини. У поређењу са киселинском оксидацијом у течној фази, њена предност лежи у одсуству стварања течног отпада током обраде, што га чини погодним за континуирану производњу великих размера.
(3) Хидрогенационо жарење: За разлику од оксидације, жарење хидрогенацијом укључује загревање нанодијаманата на високој температури у атмосфери водоника да би се уклониле површинске групе које садрже кисеоник, формирајући површину са завршеном водоником (нпр. -ЦХ₂ групе). Након третмана хидрогенацијом, површина нанодијаманта постаје хидрофобна, значајно побољшавајући њену дисперзибилност у неполарним растварачима.
03 Методе високоенергетских поља
Методе високоенергетског поља користе екстремна физичка поља као што су ласери или плазма да делују директно на агломериране структуре, ефикасно и чисто уништавајући тврде агломерате нанодијаманата и промовишући стабилну дисперзију у медијима.
(1) Дисперзија уз помоћ плазме: Високоенергетске честице (нпр. јони, електрони) генерисане плазмом бомбардују агломерате нанодијаманта, не само да производе јаке физичке ударе и микромлазеве, већ и директно разбијају ковалентне везе између честица нанодијаманта и мењају њихова површинска хемијска стања, на крају ометајући тврду агломерацију.
(2) Ласерска дисперзија: Ултра-висока густина енергије ласера може, с једне стране, директно да разбије ковалентне везе између честица нанодијаманта (нарочито међуфазне везе између површинског сп²-хибридизованог слоја угљеника и сп³ дијамантског језгра) као и интермолекуларне ван дер Валсове силе. С друге стране, ласерска енергија може бити апсорбована течним медијима као што је вода, изазивајући лавину јонизацију и стварајући плазма праменове. Тренутна насилна експанзија плазме ствара јаке ударне таласе локално, утичући и разбијајући физички спојену структуру нанодијамантских агломерата, чиме се постиже ефикасна деагломерација.
04 Површинска органска хемијска модификација
Агломерација је спонтани процес са малом енергијом активације. Чак и ако се агломерати привремено разбију спољним силама, све док површинско стање честица није из темеља промењено, новоизложене површине ће се брзо поново агрегирати кроз горе поменуте силе. Површинска органска хемијска модификација је стога битно средство за одржавање стабилности дисперзије након деагломерације променом површинског стања честица. Тренутно, главни приступи укључују арилацију, функционализацију сулфонације-дијаманта и фотографирање.
(1) Арилација: Увођење ароматичних група прстена као што су фенил или нафтил на површину нанодијаманта може заузети површинска висећа места везе, док стерична препрека коју пружају њихове круте структуре ефикасно спречава приближавање честица. Додатно, уведени ароматични прстенови могу послужити као тачке сидрења за даљу функционализацију.
(2) Сулфонирање: Увођење група сулфонске киселине (-СО₃Х) на површину нанодијаманта путем реакција сулфонирања. Групе сулфонске киселине су јако киселе и потпуно јонизују у воденом раствору, значајно мењајући површински зета потенцијал честица. Ово генерише снажно електростатичко одбијање између честица нанодијаманта, ефикасно се супротстављајући ван дер Валсовом привлачењу и спречавајући поновну агломерацију, чиме се постиже деагломерација и одржава стабилна дисперзија. У исто време, сулфонација мења површинску хемију нанодијаманата, побољшавајући површински поларитет и значајно побољшавајући квашење честица у поларним растварачима (нпр. у води).
(3) Фотографисање: Коришћење ултраљубичастог или видљивог зрачења за побуђивање површине нанодијаманта или фотосензибилизатора за стварање слободних радикала, који иницирају полимеризацију олефинских мономера на површини, калемећи дугачке полимерне ланце. Уобичајени мономери за калемљење укључују акрилну киселину, акриламид, метил метакрилат, итд. Полимерни ланци попримају проширене конформације у растварачима, формирајући стерички слој препрека дебљине од неколико нанометара до десетина нанометара. Сила одбијања нагло расте како се растојање између честица смањује, што ово чини једним од најефикаснијих средстава за спречавање агломерације. Предности фотографирања укључују благе услове реакције и прецизну контролу густине калемљења и дужине ланца подешавањем времена зрачења и концентрације мономера.