Таболич А.А. Исследование функционального состава поверхности ультрадисперсных алмазов и его влияния на седиментационную устойчивость водных
05.10.2019, 20:29

Таболич А.А. Исследование функционального состава поверхности ультрадисперсных алмазов и его влияния на седиментационную устойчивость водных суспензий / А.А. Таболич // Сборник материалов Всероссийской научной конференции «Smart Student Science - 2019» – с. 271 - 274

В большой семье углеродных наноструктур, открытых на рубеже веков и находящих свое практическое применение не только в активно набирающих рост исследованиях, но и в практических приложениях ультрадисперсные алмазы (УДА) остаются одними из наиболее перспективных. Повышенный интерес в первую очередь обуславливается относительно низкой стоимостью и масштабируемым производством в сочетании с их превосходными физическими характеристиками:  малый размер ( ~ 4-6 нм) и большая активная поверхность частиц, потенциальная возможность управления ее функциональным составом, яркая и устойчивая к фотообесцвечиванию флуоресценция. Однако, существенным препятствием для практического применения наноалмазов является их высокая склонность к агрегации. Из литературных данных известно, что первичные частицы УДА легко образуют стабильные агрегаты c размерами от нескольких десятков нанометров до нескольких микрон [1,2]. Присутствие в исходных порошках наноалмазов крупных агрегатов не позволяет изготавливать устойчивые водные суспензии, которые являются необходимым условием для реализации многих практических приложений УДА, прежде всего в области медицины. Изучению механизмов агрегации и разработке эффективных методов дезагрегации исходных порошков УДА посвящено большое количество работ (например, [3-5]), однако проблема создания устойчивых суспензий наноалмазов  до сих пор полностью не решена, что  существенно препятствует расширению областей практического применяя данного материала.

Поэтому в данной работе предпринята попытка выяснения причин способствующих созданию устойчивых водных суспензий. Для этого были изучены функциональный состав поверхности, а также проанализирована взаимосвязь со стабильностью спектральных свойств и процессами дезагрегации УДА путем ультразвуковой обработки (УЗО) в водной среде.

В настоящей работе в качестве исследуемых образцов использовали ультрадисперсные алмазы марки УДА-СП производства НП ЗАО «Синта» (г. Минск). С целью изменения функционального состава производилась модификация УДА путем термообработки исходных порошков в вакууме в интервале температур от 500 до 1100 0С в течение 1 часа, а также на воздухе в интервале температур от 300 до 480 0С в течение 5 часов. Выбор режимов термообработок был основан на том, что [6,7] варьируя температуру вакуумного отжига в интервале от 500 до 1100 0С, можно добиться изменения функционального состава УДА в широких пределах, также широко используемой процедурой для унификации поверхности наноалмазов является отжиг УДА на воздухе в интервале температур от 430 до 450 0С [8]. Контроль за результатами модификации поверхности УДА осуществлялся методом ИК-спектроскопии в диапазоне 400 – 4000 см-1. Отнесение полос поглощения проводили на основе данных приведенных в работах [9, 10].

Водные суспензии изготавливались из расчёта 1 мг/мл с использованием деионизованной воды. После ультразвуковой  обработки полученные суспензии центрифугировались в течение 1 часа при ускорении 1300 g. Далее супернатант отделялся от осадка. Осадок после центрифугирования высушивался в сушильном шкафу при 40 0С в течение 4 часов, путем сравнения массы высушенного осадка и исходного вещества определялась доля УДА, оставшаяся в супернатанте. Седиментационная устойчивость суспензий определялась по изменению оптической плотности, в спектральном диапазоне 315 − 1000 нм с течением времени. Измерения производились в кварцевых кюветах толщиной 10 мм на протяжении 50 суток. Средний размер частиц в суспензиях определялся с использованием метода Геллера.

На основании экспериментальных результатов можно сделать заключение о том, что устойчивые водные суспензии образуют порошки УДА, для которых средний размер агрегатов не превышает 100 нм. При больших размерах агрегатов наблюдается постепенное седиментационное разделение суспензий с выпадением крупных частиц в осадок. При достижении критических размеров агрегатов ( ~ 200 нм) , процесс седиментации водных суспензий УДА будет  заметно ускоряться. Основной вклад в образование устойчивых агрегатов УДА вносят карбоксильные группы, которые образуются на поверхности алмазных наночастиц на стадии окислительной обработки алмазной шихты. Ультразвуковая обработка суспензий приводит лишь к частичному разрушению крупных агрегатов, что не позволяет получать устойчивые суспензии с высоким содержанием наноалмазов. Водные суспензии, полученные с использованием образцов подвергнутых обработки путем вакуумного отжига при Т = 750 0С и отжигу в атмосфере воздуха при Т = 430 0С демонстрируют высокую устойчивость на протяжении длительного времени. При высоких температурах вакуумного отжига (Т ≥ 1000 0С) происходит удаление всех функциональных групп с поверхности УДА и существенно снижается устойчивость получаемых суспензий.

Список использованных  источников

[1] Dolmatov, V.Yu.Detonation-synthesis nanodiamonds: synthesis, structure, properties and applications / V.Yu. Dolmatov // Russ.Chem.Rev.-2007.-Vol. 76 (4).-P. 339–360.

[2]  Nanodiamonds: Applications in Biology and Nanoscale Medicine / ed.: D. Ho. – N.Y.: Springer Science + Business Media, 2010. – 286 p.

[3] Наноструктуры в биомедицине : пер. с англ. / под ред. К. Гонсалвес [и др.]. – 2-е изд. – М.: Бином. Лаборатория знаний, 2012. – 519 с.

[4] K. Turcheniuk and V.N. Mochalin Biomedical applications of nanodiamond (Review) // Nanotechnology,  2017, V. 28, P. 252001 (27pp).

[5]  Krueger A. The structure and reactivity of nanoscale diamond / A. Krueger // J. Mater. Chem. – 2008. – Vol. 18, № 13. – P. 1485-1492.

[6] А. П. Кощеев Термодесорбционная масс-спектрометрия в свете решения проблемы паспортизации и унификации поверхностных свойств детонационных наноалмазов// Рос. хим. ж., 2008, т. LII, № 5, С.88-96.

[7]  Modification of the Ultradispersed Diamonds Surface by Vacuum Heat Treatment/ G.A.Gusakov [and al.] // Proceedings of the 2018 IEEE 8thInternational Conference onNanomaterials: Applications &Properties(NAP-2018), Zatoka, Ukraine, September 9–14, 2018: in 4 pt.-SumyStateUniversity. – Sumy, 2018. – Pt. 2. – P. 02CBM03-1 - 02CBM03-4.

 [8] Xu K. A new method for deaggregation of nanodiamond from explosive detonation: graphitization-oxidation method / K. Xu, Q. Xue // Phys. Solid State. – 2004. – Vol. 46, № 4. – P. 649-650.

 [9] Белами, Л. Инфракрасные спектры сложных молекул/ Л. Белами. - М.: 1963. - 590 с.

[10] Petit, T. FTIR spectroscopy of nanodiamonds: Methods and interpretation / T. Petit, L. Puskar // Diamond & Related Materials. – 2018. – V. 89. – P. 52–66.

Improving the dispersity of detonation nanodiamond: differential scanning calorimetry as a new method of controlling the aggregation state of nanodiamond powders / M.V. Korobov [et al.] // Nanoscale. – 2013. – V. 5, № 4. – P. 1529-1536.

 

Конкурсы для педагогов

Конкурсы для студентов

Конкурсы для школьников

Всероссийские конкурсы

Олимпиады

Всероссийские олимпиады

Международные олимпиады

Научные конференции

Всероссийские конференции

Международные конференции

Категория: Smart Student Science — 2019 | Добавил: POLEVGVIK | Теги: конкурсы для студентов, олимпиады для студентов, Конференции, олимпиады для педагогов, конкурсы для педагогов, олимпиады для учеников, Конкурсы для учителей, конкурсы для воспитателей
Просмотров: 151 | Загрузок: 0 | Комментарии: 1 | Рейтинг: 0.0/0
Всего комментариев: 1
avatar
0
1 POLEVGVIK • 18:57, 21.10.2019 [Материал]
Конкурсы для педагогов, Конкурсы для студентов, Конкурсы для школьников, Всероссийские конкурсы, Олимпиады, Всероссийские олимпиады, Международные олимпиады, Научные конференции, Всероссийские конференции, Международные конференции
avatar