Dalam bidang penggilapan ketepatan, nanodiamond mempunyai kekerasan Mohs yang melampau sebanyak 10, bersama-sama dengan luas permukaan spesifik yang tinggi dan aktiviti permukaan yang tinggi pada skala nano. Apabila memproses bahan keras dan rapuh seperti silikon karbida dan nilam, ia berkeupayaan untuk-penyingkiran bahan peringkat atom. Walau bagaimanapun, zarah nanodiamond asli yang dihasilkan oleh letupan arus perdana dan kaedah sintesis tekanan tinggi-suhu tinggi-tinggi (HTHP) cenderung bergumpal secara spontan. Apabila digunakan dalam penggilap bahan kerja, ini dengan mudah menyebabkan calar permukaan, lubang, kerataan yang lemah dan isu lain, secara langsung mengurangkan hasil produk. Ia juga mengehadkan penggunaannya dalam salutan pelincir, biosensing,-bahan komposit tinggi dan medan lain. Oleh itu, deaglomerasi yang berkesan dan penyebaran nanodiamond yang stabil adalah kunci untuk memanfaatkan sepenuhnya sifat cemerlangnya dan membuka kunci{10}}pasaran aplikasi kelas atas. Artikel ini bermula dengan punca aglomerasi nanodiamond dan mengkaji empat laluan teknologi deaglomerasi utama yang lazim dalam industri.
Mengapa nanodiamond berkumpul bersama?
Zarah nanodiamond sangat kecil, dengan diameter antara hanya 2 hingga 50 nanometer, dan mempunyai luas permukaan khusus yang sangat besar. Secara fizikal, mereka sememangnya berada dalam keadaan tidak stabil. Untuk mencapai konfigurasi yang lebih stabil, zarah ultrahalus ini secara spontan menjerap antara satu sama lain dan menggumpal-inilah punca kecenderungan mereka untuk berkumpul. Pada masa yang sama, permukaan zarah mempunyai banyak tapak aktif tak tepu yang mudah menyerap lembapan dan kekotoran dari udara, seterusnya menyebabkan zarah melekat rapat dan memburukkan lagi masalah gumpalan, membentuk aglomerat lembut konvensional. Lazimnya, aglomerat lembut tersebut terutamanya disatukan oleh daya fizikal seperti daya van der Waals, daya tarikan elektrostatik, dan daya kapilari, dengan zarah terutamanya dalam sentuhan titik atau sudut, mengakibatkan daya ikatan yang agak lemah.
Walau bagaimanapun, nanodiamond yang dihasilkan melalui kaedah letupan mempunyai sisa kekotoran pada permukaannya, seperti karbon grafitik dan karbon amorf. Semasa sintesis-suhu tinggi, zarah bersebelahan boleh secara langsung membentuk ikatan karbon-karbon yang kuat. Ditambah dengan dehidrasi dan pengawetan kumpulan permukaan semasa pengeringan dan penyimpanan seterusnya, ini akhirnya menghasilkan aglomerat keras yang padat dan terikat kuat. Gumpalan keras ini tidak boleh dipecahkan oleh kuasa luar biasa sahaja, menimbulkan cabaran yang serius kepada penggunaan nanodiamonds.
Bagaimana untuk deagglomerate nanodiamonds?
Sebagai tindak balas kepada mekanisme aglomerasi di atas, industri telah membangunkan pelbagai jenis teknologi deaglomerasi untuk nanodiamond, yang boleh dikelaskan kepada empat kategori utama: kaedah penyebaran fizikal, kaedah kimia bukan organik, kaedah medan tenaga{0}}tinggi dan kaedah pengubahsuaian kimia permukaan.
01 Kaedah Penyerakan Fizikal
Kaedah penyebaran fizikal bergantung pada daya mekanikal untuk mengatasi tarikan antara zarah dan secara paksa memecahkan aglomerat lembut. Walau bagaimanapun, cara penyebaran fizikal sedemikian tidak dapat menjamin{1}}kestabilan jangka panjang penggantungan dan biasanya digunakan sebagai teknik penyebaran tambahan. Kaedah biasa termasuk:
(1) Pengilangan bebola tenaga-tinggi: Ini adalah kaedah mekanikal yang paling biasa. Ia menggunakan tenaga mekanikal yang dijana oleh-perlanggaran berkelajuan tinggi dan ricih antara bebola pengisar untuk menghancurkan aglomerat bersaiz mikron hingga ke skala nanometer. Biasanya, medium penyebaran (cth, air atau alkohol) menyediakan pelinciran dan penstabilan awal, jadi pengilangan bebola basah adalah lebih cekap daripada pengilangan bebola kering.
(2) Penyebaran berbantukan ultrabunyi: Kaedah ini menggunakan kesan peronggaan dalam cecair untuk menyahglomerat gugusan. Semasa penyebaran ultrasonik, gelembung mikro terbentuk dalam cecair. Di bawah pemampatan berkala dan rarefaction medan ultrasonik, buih ini membesar kepada saiz resonans dan kemudian runtuh dengan kuat. Runtuhan serta-merta menjana suhu tinggi, tekanan tinggi dan gelombang kejutan yang kuat serta mikrojet berkelajuan tinggi dalam ruang yang sangat kecil, sekali gus mengganggu daya van der Waals, penjerapan elektrostatik dan daya pengikatan lain antara zarah, dan memecahkan aglomerat besar kepada mikron hingga zarah yang tersebar secara individu.
02 Kaedah Kimia Tak Organik
Kaedah kimia bukan organik melibatkan proses seperti pencucian asid, penyepuhlindapan penghidrogenan dan penyepuhlindapan pengoksidaan untuk membuang sebatian logam dan karbon bukan berlian (termasuk grafit dan karbon amorf) daripada permukaan nanodiamond, dengan itu berkesan mengurangkan penggumpalan keras.
(1) Pencucian asid: Merawat dengan asid kuat seperti asid nitrik atau asid hidroklorik boleh melarutkan dan membuang kekotoran logam, sambil turut memperkenalkan sejumlah besar kumpulan berfungsi yang mengandungi oksigen-seperti karboksil (-COOH), hidroksil (-OH) dan karbonil (C=O) pada kumpulan permukaan{{4}diamond Dalam larutan akueus, kumpulan kutub ini mengion, memberikan cas permukaan negatif kepada zarah, menghasilkan tolakan elektrostatik antara zarah dan dengan itu menghalang aglomerasi.
(2) Penyepuhlindapan pengoksidaan: Pemanasan nanodiamond dalam udara atau atmosfera oksigen juga memperkenalkan kumpulan berfungsi yang mengandungi oksigen di permukaan. Berbanding dengan pengoksidaan asid fasa cecair, kelebihannya terletak pada ketiadaan penjanaan sisa cecair semasa pemprosesan, menjadikannya sesuai untuk pengeluaran berterusan berskala besar.
(3) Penyepuhlindapan hidrogenasi: Berbeza dengan pengoksidaan, penyepuhlindapan hidrogenasi melibatkan pemanasan nanodiamond pada suhu tinggi dalam atmosfera hidrogen untuk mengeluarkan kumpulan permukaan yang mengandungi oksigen, membentuk permukaan yang ditamatkan hidrogen (cth, kumpulan -CH₂). Selepas rawatan penghidrogenan, permukaan nanodiamond menjadi hidrofobik, dengan ketara meningkatkan keterserakannya dalam pelarut bukan kutub.
03 Kaedah Medan Tenaga Tinggi
Kaedah medan tenaga tinggi menggunakan medan fizikal yang melampau seperti laser atau plasma untuk bertindak secara langsung pada struktur terkumpul, dengan cekap dan bersih memusnahkan aglomerat keras nanodiamond dan menggalakkan penyebaran yang stabil dalam media.
(1) Penyerakan dibantu plasma: Zarah bertenaga tinggi (cth, ion, elektron) yang dijana oleh plasma mengebom aglomerat nanodiamond, bukan sahaja menghasilkan kesan fizikal dan mikrojet yang kuat, tetapi juga secara langsung memutuskan ikatan kovalen antara zarah nanodiamond dan mengubah keadaan kimia permukaannya, akhirnya mengganggu aglomerasi keras.
(2) Penyerakan bantuan laser: Ketumpatan tenaga ultra-tinggi laser boleh, di satu pihak, secara langsung memecahkan ikatan kovalen antara zarah nanodiamond (terutama ikatan antara muka antara lapisan karbon terhibrid sp² permukaan dan teras berlian sp³) serta daya antarmolekul van der Waals. Sebaliknya, tenaga laser boleh diserap oleh media cecair seperti air, mencetuskan pengionan salji dan menghasilkan kepulan plasma. Pengembangan plasma yang ganas serta-merta menghasilkan gelombang kejutan yang kuat secara tempatan, memberi kesan dan memecahkan struktur aglomerat nanodiamond yang terikat secara fizikal, dengan itu mencapai deaglomerasi yang cekap.
04 Pengubahsuaian Kimia Organik Permukaan
Aglomerasi adalah proses spontan dengan tenaga pengaktifan yang rendah. Walaupun aglomerat dipecahkan buat sementara waktu oleh daya luar, selagi keadaan permukaan zarah belum diubah secara asas, permukaan yang baru terdedah akan cepat terkumpul semula melalui daya yang disebutkan di atas. Oleh itu, pengubahsuaian kimia organik permukaan adalah satu cara yang penting untuk mengekalkan kestabilan serakan selepas deaglomerasi dengan mengubah keadaan permukaan zarah. Pada masa ini, pendekatan utama termasuk arilasi, kefungsian berlian sulfonasi, dan cantuman foto.
(1) Arylasi: Memperkenalkan kumpulan cincin aromatik seperti fenil atau naphthyl pada permukaan nanodiamond boleh menduduki tapak ikatan berjuntai permukaan, manakala halangan sterik yang disediakan oleh struktur tegarnya menghalang pendekatan zarah dengan berkesan. Selain itu, cincin aromatik yang diperkenalkan boleh berfungsi sebagai titik penambat untuk fungsi selanjutnya.
(2) Sulfonasi: Memperkenalkan kumpulan asid sulfonik (-SO₃H) ke permukaan nanodiamond melalui tindak balas sulfonasi. Kumpulan asid sulfonik adalah sangat berasid dan terion sepenuhnya dalam larutan akueus, dengan ketara mengubah potensi zeta permukaan zarah. Ini menjana tolakan elektrostatik yang kuat antara zarah nanodiamond, dengan berkesan menentang tarikan van der Waals dan menghalang penggumpalan semula, sekali gus mencapai deaglomerasi dan mengekalkan serakan yang stabil. Pada masa yang sama, sulfonasi mengubah kimia permukaan nanodiamond, meningkatkan kekutuban permukaan dan meningkatkan kebolehbasahan zarah dengan ketara dalam pelarut kutub (cth, air).
(3) Cantuman foto: Menggunakan sinaran ultraungu atau sinaran cahaya nampak untuk merangsang permukaan nanodiamond atau fotosensitizer untuk menjana radikal bebas, yang memulakan pempolimeran monomer olefin pada permukaan, mencantumkan rantai polimer yang panjang. Monomer cantuman biasa termasuk asid akrilik, akrilamida, metil metakrilat, dsb. Rantai polimer menganggap konformasi lanjutan dalam pelarut, membentuk lapisan penghalang sterik dengan ketebalan antara beberapa nanometer hingga puluhan nanometer. Daya tolakan meningkat dengan mendadak apabila jarak antara zarah berkurangan, menjadikan ini salah satu cara yang paling berkesan untuk mencegah penggumpalan. Kelebihan cantuman foto termasuk keadaan tindak balas ringan dan kawalan tepat ketumpatan cantuman dan panjang rantai dengan melaraskan masa penyinaran dan kepekatan monomer.