सटीक पॉलिशिंग के क्षेत्र में, नैनोडायमंड्स में उच्च विशिष्ट सतह क्षेत्र और नैनोस्केल पर उच्च सतह गतिविधि के साथ-साथ 10 की अत्यधिक मोह कठोरता होती है। सिलिकॉन कार्बाइड और नीलमणि जैसी कठोर और भंगुर सामग्री को संसाधित करते समय, वे परमाणु स्तर की सामग्री को हटाने में सक्षम होते हैं। हालाँकि, वर्तमान मुख्यधारा विस्फोट और उच्च तापमान उच्च दबाव (HTHP) संश्लेषण विधियों द्वारा उत्पादित देशी नैनोडायमंड कण अनायास एकत्रित हो जाते हैं। जब वर्कपीस पॉलिशिंग में उपयोग किया जाता है, तो यह आसानी से सतह पर खरोंच, गड्ढे, खराब समतलता और अन्य समस्याओं का कारण बनता है, जिससे सीधे उत्पाद की उपज कम हो जाती है। यह चिकनाई कोटिंग्स, बायोसेंसिंग, उच्च अंत मिश्रित सामग्री और अन्य क्षेत्रों में उनके अनुप्रयोग को भी सीमित करता है। इसलिए, नैनोडायमंड्स का प्रभावी डीग्लोमरेशन और स्थिर फैलाव उनके उत्कृष्ट गुणों का पूरी तरह से लाभ उठाने और उच्च अंत एप्लिकेशन बाजारों को अनलॉक करने की कुंजी है। यह लेख नैनोडायमंड एग्लोमरेशन के कारणों से शुरू होता है और उद्योग में प्रचलित चार प्रमुख डीएग्लोमरेशन प्रौद्योगिकी मार्गों की समीक्षा करता है।
नैनोडायमंड्स एक साथ क्यों एकत्रित होते हैं?
नैनोडायमंड कण बेहद छोटे होते हैं, जिनका व्यास केवल 2 से 50 नैनोमीटर तक होता है, और इनका विशिष्ट सतह क्षेत्र बहुत बड़ा होता है। शारीरिक रूप से, वे स्वाभाविक रूप से अस्थिर स्थिति में हैं। अधिक स्थिर विन्यास प्राप्त करने के लिए, ये अतिसूक्ष्म कण स्वतः ही एक-दूसरे से अवशोषित हो जाते हैं और एकत्रित हो जाते हैं। यह उनकी क्लस्टर बनने की प्रवृत्ति का मूल कारण है। साथ ही, कण सतहों में कई असंतृप्त सक्रिय साइटें होती हैं जो हवा से नमी और अशुद्धियों को आसानी से सोख लेती हैं, जिससे कण एक साथ कसकर चिपक जाते हैं और क्लंपिंग की समस्या बढ़ जाती है, जिससे पारंपरिक नरम समूह बनते हैं। आमतौर पर, ऐसे नरम समूह मुख्य रूप से वैन डेर वाल्स बलों, इलेक्ट्रोस्टैटिक आकर्षण और केशिका बलों जैसे भौतिक बलों द्वारा एक साथ बंधे होते हैं, कण मुख्य रूप से बिंदु या कोणीय संपर्क में होते हैं, जिसके परिणामस्वरूप अपेक्षाकृत कमजोर बंधन बल होते हैं।
हालाँकि, विस्फोट विधि द्वारा उत्पादित नैनोडायमंड्स की सतह पर ग्रेफाइटिक कार्बन और अनाकार कार्बन जैसी अवशिष्ट अशुद्धियाँ होती हैं। उच्च तापमान संश्लेषण के दौरान, आसन्न कण सीधे मजबूत कार्बन-कार्बन बंधन बना सकते हैं। बाद में सुखाने और भंडारण के दौरान सतह समूहों के निर्जलीकरण और इलाज के साथ मिलकर, इसके परिणामस्वरूप अंततः घने, दृढ़ता से बंधे हुए कठोर समूह बनते हैं। इन कठोर समूहों को अकेले सामान्य बाहरी ताकतों द्वारा नहीं तोड़ा जा सकता है, जो नैनोडायमंड्स के अनुप्रयोग के लिए एक गंभीर चुनौती है।
नैनोडायमंड्स को डीएग्लोमरेट कैसे करें?
उपरोक्त एकत्रीकरण तंत्रों के जवाब में, उद्योग ने नैनोडायमंड्स के लिए कई प्रकार की डीग्लोमरेशन प्रौद्योगिकियों का विकास किया है, जिन्हें चार प्रमुख श्रेणियों में वर्गीकृत किया जा सकता है: भौतिक फैलाव विधियां, अकार्बनिक रासायनिक विधियां, उच्च -ऊर्जा क्षेत्र विधियां, और सतह रासायनिक संशोधन विधियां।
01 भौतिक फैलाव विधियाँ
भौतिक फैलाव विधियां अंतरकणीय आकर्षण पर काबू पाने और नरम समूह को जबरन तोड़ने के लिए यांत्रिक बलों पर निर्भर करती हैं। हालाँकि, ऐसे भौतिक फैलाव साधन निलंबन की दीर्घकालिक स्थिरता की गारंटी नहीं दे सकते हैं और आमतौर पर सहायक फैलाव तकनीकों के रूप में उपयोग किए जाते हैं। सामान्य तरीकों में शामिल हैं:
(1) उच्च-ऊर्जा बॉल मिलिंग: यह सबसे सामान्य यांत्रिक विधि है। यह माइक्रोन आकार के समूह को नैनोमीटर पैमाने तक कुचलने के लिए पीसने वाली गेंदों के बीच उच्च गति के टकराव और कतरनी से उत्पन्न यांत्रिक ऊर्जा का उपयोग करता है। आमतौर पर, एक फैलाव माध्यम (उदाहरण के लिए, पानी या अल्कोहल) स्नेहन और प्रारंभिक स्थिरीकरण प्रदान करता है, इसलिए गीली बॉल मिलिंग सूखी बॉल मिलिंग की तुलना में अधिक कुशल होती है।
(2) अल्ट्रासाउंड-सहायता प्राप्त फैलाव: यह विधि समूहों को डीएग्लोमरेट करने के लिए तरल पदार्थों में गुहिकायन प्रभाव का उपयोग करती है। अल्ट्रासोनिक प्रसार के दौरान, तरल में सूक्ष्म बुलबुले बनते हैं। अल्ट्रासोनिक क्षेत्र के आवधिक संपीड़न और विरलन के तहत, ये बुलबुले अनुनाद आकार तक बढ़ते हैं और फिर हिंसक रूप से ढह जाते हैं। तात्कालिक पतन स्थानीयकृत उच्च तापमान, उच्च दबाव और शक्तिशाली शॉक तरंगों के साथ-साथ बहुत छोटी जगह में उच्च गति वाले माइक्रोजेट उत्पन्न करता है, जिससे वैन डेर वाल्स बल, इलेक्ट्रोस्टैटिक सोखना और कणों के बीच अन्य बाध्यकारी बल बाधित होते हैं, और बड़े समूह को माइक्रोन से नैनोस्केल में व्यक्तिगत रूप से बिखरे हुए कणों में तोड़ दिया जाता है।
02 अकार्बनिक रासायनिक विधियाँ
अकार्बनिक रासायनिक विधियों में नैनोडायमंड्स की सतह से धातु यौगिकों और गैर-डायमंड कार्बन (ग्रेफाइट और अनाकार कार्बन सहित) को हटाने के लिए एसिड वॉशिंग, हाइड्रोजनीकरण एनीलिंग और ऑक्सीकरण एनीलिंग जैसी प्रक्रियाएं शामिल होती हैं, जिससे प्रभावी रूप से कठोर संचय को कम किया जाता है।
(1) एसिड से धुलाई: नाइट्रिक एसिड या हाइड्रोक्लोरिक एसिड जैसे मजबूत एसिड के साथ उपचार करने से धात्विक अशुद्धियों को घोला जा सकता है और हटाया जा सकता है, साथ ही नैनोडायमंड सतह पर बड़ी संख्या में ऑक्सीजन युक्त कार्यात्मक समूह जैसे कार्बोक्सिल ({1}}COOH), हाइड्रॉक्सिल (22OH), और कार्बोनिल (C33O) समूह भी शामिल किए जा सकते हैं। जलीय घोल में, ये ध्रुवीय समूह आयनित होते हैं, कणों को एक नकारात्मक सतह चार्ज प्रदान करते हैं, कणों के बीच इलेक्ट्रोस्टैटिक प्रतिकर्षण उत्पन्न करते हैं और इस प्रकार ढेर में बाधा उत्पन्न करते हैं।
(2) ऑक्सीकरण एनीलिंग: नैनोडायमंड्स को हवा या ऑक्सीजन वायुमंडल में गर्म करने से सतह पर ऑक्सीजन युक्त कार्यात्मक समूह उत्पन्न होते हैं। तरल-चरण एसिड ऑक्सीकरण की तुलना में, इसका लाभ प्रसंस्करण के दौरान तरल अपशिष्ट उत्पादन की अनुपस्थिति में निहित है, जो इसे बड़े पैमाने पर निरंतर उत्पादन के लिए उपयुक्त बनाता है।
(3) हाइड्रोजनीकरण एनीलिंग: ऑक्सीकरण के विपरीत, हाइड्रोजनीकरण एनीलिंग में ऑक्सीजन युक्त सतह समूहों को हटाने के लिए हाइड्रोजन वातावरण में उच्च तापमान पर नैनोडायमंड्स को गर्म करना शामिल है, जिससे हाइड्रोजन-समाप्त सतह (उदाहरण के लिए, -CH₂ समूह) बनती है। हाइड्रोजनीकरण उपचार के बाद, नैनोडायमंड सतह हाइड्रोफोबिक हो जाती है, जिससे गैर-ध्रुवीय सॉल्वैंट्स में इसके फैलाव में काफी सुधार होता है।
03 उच्च-ऊर्जा क्षेत्र विधियाँ
उच्च-ऊर्जा क्षेत्र विधियां एकत्रित संरचनाओं पर सीधे कार्य करने के लिए लेजर या प्लाज्मा जैसे अत्यधिक भौतिक क्षेत्रों का उपयोग करती हैं, नैनोडायमंड्स के कठोर समूहों को कुशलतापूर्वक और सफाई से नष्ट करती हैं और मीडिया में स्थिर फैलाव को बढ़ावा देती हैं।
(1) प्लाज्मा-सहायता प्राप्त फैलाव: प्लाज्मा द्वारा उत्पन्न उच्च ऊर्जा कण (उदाहरण के लिए, आयन, इलेक्ट्रॉन) नैनोडायमंड एग्लोमेरेट्स पर बमबारी करते हैं, न केवल मजबूत भौतिक प्रभाव और माइक्रोजेट उत्पन्न करते हैं, बल्कि सीधे नैनोडायमंड कणों के बीच सहसंयोजक बंधन को तोड़ते हैं और उनकी सतह रासायनिक स्थितियों को बदलते हैं, अंततः कठोर एग्लोमरेशन को बाधित करते हैं।
(2) लेजर-सहायता प्राप्त फैलाव: लेज़रों का अति उच्च ऊर्जा घनत्व, एक ओर, नैनोडायमंड कणों (विशेष रूप से सतह sp²‑हाइब्रिडाइज्ड कार्बन परत और sp³ डायमंड कोर के बीच इंटरफेशियल बांड) के साथ-साथ अंतर-आणविक वैन डेर वाल्स बलों के बीच सहसंयोजक बंधन को सीधे तोड़ सकता है। दूसरी ओर, लेजर ऊर्जा को पानी जैसे तरल मीडिया द्वारा अवशोषित किया जा सकता है, जिससे हिमस्खलन आयनीकरण शुरू हो जाता है और प्लाज्मा प्लम उत्पन्न होता है। प्लाज्मा का तात्कालिक हिंसक विस्तार स्थानीय स्तर पर मजबूत शॉक तरंगें पैदा करता है, जो नैनोडायमंड एग्लोमेरेट्स की भौतिक रूप से बंधी संरचना को प्रभावित और तोड़ता है, जिससे कुशल डीग्लोमरेशन प्राप्त होता है।
04 सतही कार्बनिक रासायनिक संशोधन
समूहन कम सक्रियण ऊर्जा वाली एक सहज प्रक्रिया है। भले ही एग्लोमेरेट्स को बाहरी ताकतों द्वारा अस्थायी रूप से तोड़ दिया जाता है, जब तक कि कण की सतह की स्थिति को मौलिक रूप से नहीं बदला जाता है, नई उजागर सतहें उपरोक्त बलों के माध्यम से जल्दी से फिर से एकत्रित हो जाएंगी। सतह कार्बनिक रासायनिक संशोधन इसलिए कणों की सतह की स्थिति को बदलकर डीग्लोमरेशन के बाद फैलाव स्थिरता बनाए रखने का एक आवश्यक साधन है। वर्तमान में, मुख्य दृष्टिकोणों में एरीलेशन, सल्फोनेशन-डायमंड फंक्शनलाइजेशन और फोटोग्राफ्टिंग शामिल हैं।
(1) एरिलेशन: नैनोडायमंड सतह पर फिनाइल या नेफ्थिल जैसे सुगंधित रिंग समूहों का परिचय सतह पर लटकने वाले बंधन स्थलों पर कब्जा कर सकता है, जबकि उनकी कठोर संरचनाओं द्वारा प्रदान की गई स्टेरिक बाधा प्रभावी रूप से कण दृष्टिकोण को रोकती है। इसके अतिरिक्त, शुरू की गई सुगंधित अंगूठियां आगे की कार्यप्रणाली के लिए एंकरिंग पॉइंट के रूप में काम कर सकती हैं।
(2) सल्फोनेशन: सल्फोनेशन प्रतिक्रियाओं के माध्यम से नैनोडायमंड सतह पर सल्फोनिक एसिड समूहों (-SO₃H) का परिचय। सल्फोनिक एसिड समूह अत्यधिक अम्लीय होते हैं और जलीय घोल में पूरी तरह से आयनित होते हैं, जिससे कणों की सतह जेटा क्षमता में महत्वपूर्ण परिवर्तन होता है। यह नैनोडायमंड कणों के बीच मजबूत इलेक्ट्रोस्टैटिक प्रतिकर्षण उत्पन्न करता है, वैन डेर वाल्स आकर्षण का प्रभावी ढंग से प्रतिकार करता है और पुन: एकत्रीकरण को रोकता है, इस प्रकार डीग्लोमरेशन प्राप्त करता है और स्थिर फैलाव बनाए रखता है। साथ ही, सल्फोनेशन नैनोडायमंड्स की सतह रसायन विज्ञान को बदलता है, सतह ध्रुवता को बढ़ाता है और ध्रुवीय सॉल्वैंट्स (उदाहरण के लिए, पानी) में कण अस्थिरता में उल्लेखनीय सुधार करता है।
(3) फोटो ग्राफ्टिंग: मुक्त कण उत्पन्न करने के लिए नैनोडायमंड सतह या फोटोसेंसिटाइज़र को उत्तेजित करने के लिए पराबैंगनी या दृश्य प्रकाश विकिरण का उपयोग करना, जो सतह पर ओलेफिनिक मोनोमर्स के पोलीमराइजेशन की शुरुआत करता है, लंबी पॉलिमर श्रृंखलाओं को ग्राफ्ट करता है। सामान्य ग्राफ्टिंग मोनोमर्स में ऐक्रेलिक एसिड, एक्रिलामाइड, मिथाइल मेथैक्रिलेट आदि शामिल हैं। पॉलिमर श्रृंखलाएं सॉल्वैंट्स में विस्तारित अनुरूपता ग्रहण करती हैं, जिससे कई नैनोमीटर से लेकर दसियों नैनोमीटर तक की मोटाई के साथ एक स्टेरिक बाधा परत बनती है। अंतरकण दूरी कम होने पर प्रतिकारक बल तेजी से बढ़ता है, जिससे यह एकत्रीकरण को रोकने का सबसे प्रभावी साधन बन जाता है। फोटोग्राफ्टिंग के फायदों में हल्की प्रतिक्रिया की स्थिति और विकिरण समय और मोनोमर एकाग्रता को समायोजित करके ग्राफ्टिंग घनत्व और श्रृंखला की लंबाई का सटीक नियंत्रण शामिल है।