En el camp del polit de precisió, els nanodiamants tenen una duresa Mohs extrema de 10, juntament amb una gran superfície específica i una gran activitat superficial a nanoescala. Quan es processen materials durs i trencadissos, com ara el carbur de silici i el safir, són capaços d'eliminar material a nivell-atòmic. No obstant això, les partícules de nanodiamant natives produïdes per la detonació actual i els mètodes de síntesi d'alta -temperatura alta-pressió (HTHP) tendeixen a aglomerar-se espontàniament. Quan s'utilitza en el poliment de peces de treball, això provoca fàcilment rascades superficials, forats, poca planitud i altres problemes, reduint directament el rendiment del producte. També limita la seva aplicació en recobriments lubricants, biodetecció, materials compostos-de gamma alta i altres camps. Per tant, la desaglomeració eficaç i la dispersió estable dels nanodiamants són clau per aprofitar al màxim les seves propietats destacades i desbloquejar mercats d'aplicacions de gamma alta-. Aquest article comença amb les causes de l'aglomeració de nanodiamants i repassa les quatre principals rutes tecnològiques de desaglomeració predominants a la indústria.
Per què els nanodiamants s'agrupen?
Les partícules de nanodiamant són extremadament petites, amb diàmetres que oscil·len entre només 2 i 50 nanòmetres i tenen una superfície específica molt gran. Físicament, es troben inherentment en un estat inestable. Per aconseguir una configuració més estable, aquestes partícules ultrafines s'adsorbeixen espontàniament entre si i s'aglomeran-aquesta és la causa principal de la seva tendència a agrupar-se. Al mateix temps, les superfícies de les partícules tenen molts llocs actius insaturats que absorbeixen fàcilment la humitat i les impureses de l'aire, fent que les partícules s'adhereixin fortament i agreugen el problema de l'aglomeració, formant aglomerats suaus convencionals. Normalment, aquests aglomerats tous estan units principalment per forces físiques com les forces de van der Waals, l'atracció electrostàtica i les forces capil·lars, amb partícules principalment en contacte puntual o angular, donant lloc a forces d'enllaç relativament febles.
Tanmateix, els nanodiamants produïts pel mètode de detonació tenen impureses residuals a les seves superfícies, com ara carboni grafitic i carboni amorf. Durant la síntesi a -alta temperatura, les partícules adjacents poden formar directament enllaços carboni-carboni forts. Juntament amb la deshidratació i curat dels grups superficials durant l'assecat i l'emmagatzematge posteriors, això finalment dóna lloc a aglomerats durs densos i fortament units. Aquests aglomerats durs no es poden trencar només per forces externes ordinàries, cosa que suposa un seriós repte per a l'aplicació de nanodiamants.
Com desaglomerar nanodiamants?
En resposta als mecanismes d'aglomeració anteriors, la indústria ha desenvolupat diversos tipus de tecnologies de desaglomeració per als nanodiamants, que es poden classificar en quatre categories principals: mètodes de dispersió física, mètodes químics inorgànics, mètodes de camp d'alta-energia i mètodes de modificació química superficial.
01 Mètodes de dispersió física
Els mètodes de dispersió física es basen en forces mecàniques per superar l'atracció entre partícules i trencar a la força els aglomerats tous. Tanmateix, aquests mitjans físics de dispersió no poden garantir l'estabilitat-a llarg termini de la suspensió i normalment s'utilitzen com a tècniques de dispersió auxiliars. Els mètodes comuns inclouen:
(1) Fresat de boles d'alta-energia: Aquest és el mètode mecànic més comú. Utilitza l'energia mecànica generada per les col·lisions a gran-velocitat i el cisallament entre boles de mòlta per aixafar aglomerats de mida micronitzada fins a l'escala nanomètrica. Normalment, un medi de dispersió (per exemple, aigua o alcohols) proporciona lubricació i estabilització preliminar, de manera que la mòlta de boles humides és més eficient que la mòlta de boles en sec.
(2) Dispersió assistida per ultrasons: Aquest mètode utilitza l'efecte de cavitació en líquids per desaglomerar cúmuls. Durant la propagació ultrasònica, es formen microbombolles al líquid. Sota la compressió periòdica i la rarefacció del camp ultrasònic, aquestes bombolles creixen fins a la mida de ressonància i després col·lapsen violentament. El col·lapse instantani genera ones de xoc localitzades d'alta temperatura, alta pressió i potents, així com microjets d'alta velocitat en un espai molt reduït, interrompent així les forces de van der Waals, l'adsorció electrostàtica i altres forces d'unió entre partícules i trencant grans aglomerats en partícules disperses individualment a escala nanomètrica.
02 Mètodes químics inorgànics
Els mètodes químics inorgànics impliquen processos com el rentat àcid, el recuit d'hidrogenació i el recuit d'oxidació per eliminar els compostos metàl·lics i el carboni no diamantat (incloent el grafit i el carboni amorf) de la superfície dels nanodiamants, reduint així eficaçment l'aglomeració dura.
(1) Rentat àcid: El tractament amb àcids forts com l'àcid nítric o l'àcid clorhídric pot dissoldre i eliminar impureses metàl·liques, alhora que introdueix un gran nombre de grups funcionals que contenen oxigen-com ara carboxil (-COOH), hidroxil (-OH) i carbonil (C=O) a la superfície{{4}mondial. En solucions aquoses, aquests grups polars s'ionitzen, impartint una càrrega superficial negativa a les partícules, generant repulsió electrostàtica entre partícules i dificultant així l'aglomeració.
(2) Recuit d'oxidació: L'escalfament de nanodiamants en atmosferes d'aire o d'oxigen introdueix de manera similar grups funcionals que contenen oxigen a la superfície. En comparació amb l'oxidació àcida en fase líquida, el seu avantatge rau en l'absència de generació de residus líquids durant el processament, el que el fa adequat per a la producció contínua a gran escala.
(3) Recuit per hidrogenacióA diferència de l'oxidació, el recuit d'hidrogenació consisteix a escalfar nanodiamants a alta temperatura en una atmosfera d'hidrogen per eliminar els grups superficials que contenen oxigen, formant una superfície terminada en hidrogen (per exemple, grups -CH₂). Després del tractament d'hidrogenació, la superfície del nanodiamant es torna hidròfoba, millorant significativament la seva dispersibilitat en dissolvents no polars.
03 Mètodes de camp d'alta energia
Els mètodes de camp d'alta energia utilitzen camps físics extrems com ara làsers o plasma per actuar directament sobre les estructures aglomerades, destruint de manera eficient i neta els aglomerats durs de nanodiamants i promovent una dispersió estable en els mitjans.
(1) Dispersió assistida per plasma: Les partícules d'alta energia (per exemple, ions, electrons) generades pel plasma bombardegen els aglomerats de nanodiamants, no només produint forts impactes físics i microjets, sinó que també trenquen directament enllaços covalents entre partícules de nanodiamants i alteren els seus estats químics superficials, pertorbant finalment l'aglomeració dura.
(2) Dispersió assistida per làser: La densitat d'energia ultra alta dels làsers pot, d'una banda, trencar directament enllaços covalents entre partícules de nanodiamant (especialment els enllaços interfacials entre la capa de carboni hibridada amb sp² superficial i el nucli de diamant sp³), així com les forces intermoleculars de van der Waals. D'altra banda, l'energia del làser pot ser absorbida per mitjans líquids com l'aigua, provocant la ionització d'allaus i generant plomalls de plasma. L'expansió violenta instantània del plasma crea fortes ones de xoc localment, impactant i trencant l'estructura unida físicament dels aglomerats de nanodiamants, aconseguint així una desaglomeració eficient.
04 Modificació química orgànica superficial
L'aglomeració és un procés espontani amb poca energia d'activació. Fins i tot si els aglomerats es trenquen temporalment per forces externes, sempre que l'estat de la superfície de la partícula no hagi canviat fonamentalment, les superfícies recentment exposades es tornaran a agregar ràpidament a través de les forces esmentades anteriorment. La modificació química orgànica superficial és, per tant, un mitjà essencial per mantenir l'estabilitat de la dispersió després de la desaglomeració alterant l'estat superficial de la partícula. Actualment, els principals enfocaments inclouen l'arilació, la funcionalització de sulfonació-diamant i el fotoempelt.
(1) arilació: La introducció de grups d'anells aromàtics com el fenil o el naftil a la superfície del nanodiamant pot ocupar llocs d'enllaç de superfície, mentre que l'obstacle estèric que proporcionen les seves estructures rígides impedeix eficaçment l'aproximació de partícules. A més, els anells aromàtics introduïts poden servir com a punts d'ancoratge per a una més funcionalització.
(2) Sulfonació: Introducció de grups d'àcid sulfònic (-SO₃H) a la superfície del nanodiamant mitjançant reaccions de sulfonació. Els grups d'àcid sulfònic són fortament àcids i s'ionitzen completament en solució aquosa, alterant significativament el potencial zeta superficial de les partícules. Això genera una forta repulsió electrostàtica entre les partícules de nanodiamant, contrarestant eficaçment l'atracció de van der Waals i evitant la re-aglomeració, aconseguint així la desaglomeració i mantenint una dispersió estable. Al mateix temps, la sulfonació canvia la química superficial dels nanodiamants, millorant la polaritat de la superfície i millorant notablement la humectabilitat de les partícules en dissolvents polars (per exemple, l'aigua).
(3) Fotoempelt: Ús d'irradiació de llum ultraviolada o visible per excitar la superfície del nanodiamant o fotosensibilitzadors per generar radicals lliures, que inicien la polimerització de monòmers olefínics a la superfície, empeltant cadenes de polímer llargues. Els monòmers d'empelt comuns inclouen l'àcid acrílic, l'acrilamida, el metacrilat de metil, etc. Les cadenes de polímer assumeixen conformacions esteses en dissolvents, formant una capa d'obstacle estèrica amb un gruix que va des de diversos nanòmetres fins a desenes de nanòmetres. La força de repulsió augmenta bruscament a mesura que disminueix la distància entre partícules, fent d'aquest un dels mitjans més eficaços per evitar l'aglomeració. Els avantatges del fotoempelt inclouen condicions de reacció suaus i un control precís de la densitat de l'empelt i la longitud de la cadena ajustant el temps d'irradiació i la concentració de monòmers.