Di bidang pemolesan presisi, berlian nano memiliki kekerasan Mohs ekstrem sebesar 10, bersama dengan luas permukaan spesifik yang tinggi dan aktivitas permukaan yang tinggi pada skala nano. Saat memproses material yang keras dan rapuh seperti silikon karbida dan safir, material tersebut mampu menghilangkan material pada tingkat-atom. Namun, partikel nanodiamond asli yang dihasilkan oleh metode sintesis-suhu tinggi-tekanan tinggi (HTHP) yang umum saat ini cenderung menggumpal secara spontan. Saat digunakan dalam pemolesan benda kerja, hal ini dengan mudah menyebabkan permukaan tergores, berlubang, kerataan yang buruk, dan masalah lainnya, yang secara langsung mengurangi hasil produk. Hal ini juga membatasi penerapannya pada pelapis pelumas, biosensing, material komposit kelas atas, dan bidang lainnya. Oleh karena itu, deaglomerasi yang efektif dan dispersi berlian nano yang stabil adalah kunci untuk sepenuhnya memanfaatkan sifat luar biasa mereka dan membuka{10}}pasar aplikasi kelas atas. Artikel ini dimulai dengan penyebab aglomerasi nanodiamond dan mengulas empat jalur teknologi deaglomerasi utama yang lazim di industri.
Mengapa berlian nano berkumpul bersama?
Partikel nanodiamond berukuran sangat kecil, dengan diameter berkisar antara 2 hingga 50 nanometer, dan memiliki luas permukaan spesifik yang sangat besar. Secara fisik, mereka secara inheren berada dalam keadaan tidak stabil. Untuk mencapai konfigurasi yang lebih stabil, partikel-partikel ultrahalus ini secara spontan teradsorpsi satu sama lain dan menggumpal-inilah penyebab utama kecenderungannya untuk berkelompok. Pada saat yang sama, permukaan partikel mempunyai banyak situs aktif tak jenuh yang siap menyerap uap air dan kotoran dari udara, selanjutnya menyebabkan partikel melekat erat dan memperburuk masalah penggumpalan, membentuk aglomerat lunak konvensional. Biasanya, aglomerat lunak tersebut sebagian besar disatukan oleh gaya fisik seperti gaya van der Waals, gaya tarik elektrostatis, dan gaya kapiler, dengan partikel-partikel terutama dalam kontak titik atau sudut, sehingga menghasilkan gaya ikatan yang relatif lemah.
Namun, berlian nano yang dihasilkan dengan metode peledakan memiliki sisa pengotor di permukaannya, seperti karbon grafit dan karbon amorf. Selama sintesis-suhu tinggi, partikel yang berdekatan dapat secara langsung membentuk ikatan karbon-karbon yang kuat. Ditambah dengan dehidrasi dan pengawetan kelompok permukaan selama pengeringan dan penyimpanan selanjutnya, hal ini pada akhirnya menghasilkan aglomerat keras yang padat dan terikat kuat. Aglomerat keras ini tidak dapat dipecah oleh kekuatan eksternal biasa saja, sehingga menimbulkan tantangan serius dalam penerapan berlian nano.
Bagaimana cara mendeaglomerasi berlian nano?
Sebagai respons terhadap mekanisme aglomerasi di atas, industri telah mengembangkan berbagai jenis teknologi deaglomerasi untuk berlian nano, yang dapat diklasifikasikan ke dalam empat kategori utama: metode dispersi fisik, metode kimia anorganik, metode medan energi tinggi, dan metode modifikasi kimia permukaan.
01 Metode Dispersi Fisik
Metode dispersi fisik mengandalkan kekuatan mekanis untuk mengatasi tarikan antarpartikel dan secara paksa memecah aglomerat lunak. Namun, alat dispersi fisik tersebut tidak dapat menjamin-stabilitas suspensi dalam jangka panjang dan biasanya digunakan sebagai teknik dispersi tambahan. Metode umum meliputi:
(1) Penggilingan bola-energi tinggi: Ini adalah metode mekanis yang paling umum. Ia menggunakan energi mekanik yang dihasilkan oleh-tabrakan berkecepatan tinggi dan pergeseran antara bola gerinda untuk menghancurkan aglomerat berukuran mikron hingga skala nanometer. Biasanya, media pendispersi (misalnya air atau alkohol) memberikan pelumasan dan stabilisasi awal, sehingga penggilingan bola basah lebih efisien daripada penggilingan bola kering.
(2) Dispersi dengan bantuan USG: Metode ini memanfaatkan efek kavitasi dalam cairan untuk mendeaglomerasi cluster. Selama perambatan ultrasonik, gelembung mikro terbentuk di dalam cairan. Di bawah kompresi dan penghalusan medan ultrasonik secara berkala, gelembung-gelembung ini tumbuh hingga mencapai ukuran resonansi dan kemudian runtuh dengan hebat. Keruntuhan seketika menghasilkan suhu tinggi, tekanan tinggi, dan gelombang kejut yang kuat serta mikrojet berkecepatan tinggi di ruang yang sangat kecil, sehingga mengganggu gaya van der Waals, adsorpsi elektrostatis, dan gaya pengikatan lainnya antar partikel, serta memecah aglomerat besar menjadi partikel yang tersebar secara individual berukuran mikron hingga nano.
02 Metode Kimia Anorganik
Metode kimia anorganik melibatkan proses seperti pencucian asam, anil hidrogenasi, dan anil oksidasi untuk menghilangkan senyawa logam dan karbon non-berlian (termasuk grafit dan karbon amorf) dari permukaan berlian nano, sehingga secara efektif mengurangi aglomerasi keras.
(1) Pencucian asam: Perlakuan dengan asam kuat seperti asam nitrat atau asam klorida dapat melarutkan dan menghilangkan kotoran logam, sekaligus memasukkan sejumlah besar gugus fungsi yang mengandung oksigen-seperti gugus karboksil (-COOH), hidroksil (-OH), dan karbonil (C=O)-ke permukaan berlian nano. Dalam larutan air, gugus polar ini terionisasi, memberikan muatan permukaan negatif pada partikel, menghasilkan tolakan elektrostatik antar partikel dan dengan demikian menghambat aglomerasi.
(2) Anil oksidasi: Memanaskan berlian nano di atmosfer udara atau oksigen juga menimbulkan gugus fungsi yang mengandung oksigen di permukaan. Dibandingkan dengan oksidasi asam fase cair, keunggulannya terletak pada tidak adanya limbah cair selama pemrosesan, sehingga cocok untuk produksi berkelanjutan skala besar.
(3) Anil hidrogenasi: Berbeda dengan oksidasi, anil hidrogenasi melibatkan pemanasan berlian nano pada suhu tinggi dalam atmosfer hidrogen untuk menghilangkan gugus permukaan yang mengandung oksigen, sehingga membentuk permukaan yang diakhiri dengan hidrogen (misalnya, gugus -CH₂). Setelah perlakuan hidrogenasi, permukaan berlian nano menjadi hidrofobik, sehingga meningkatkan dispersibilitasnya secara signifikan dalam pelarut non-polar.
03 Metode Medan Energi Tinggi
Metode medan energi tinggi menggunakan medan fisik ekstrem seperti laser atau plasma untuk bekerja secara langsung pada struktur yang diaglomerasi, secara efisien dan bersih menghancurkan aglomerat keras berlian nano dan mendorong dispersi yang stabil dalam media.
(1) Dispersi dengan bantuan plasma: Partikel berenergi tinggi (misalnya, ion, elektron) yang dihasilkan oleh plasma membombardir aglomerat nanodiamond, tidak hanya menghasilkan dampak fisik dan jet mikro yang kuat, namun juga secara langsung memutus ikatan kovalen antara partikel nanodiamond dan mengubah keadaan kimia permukaannya, yang pada akhirnya mengganggu aglomerasi keras.
(2) Dispersi dengan bantuan laser: Laser dengan kepadatan energi yang sangat tinggi, di satu sisi, dapat secara langsung memutus ikatan kovalen antara partikel nanodiamond (terutama ikatan antarmuka antara lapisan karbon hibridisasi sp² permukaan dan inti berlian sp³) serta gaya van der Waals antarmolekul. Di sisi lain, energi laser dapat diserap oleh media cair seperti air, memicu ionisasi longsoran dan menghasilkan gumpalan plasma. Ekspansi plasma yang hebat secara seketika menciptakan gelombang kejut yang kuat secara lokal, berdampak dan menghancurkan struktur aglomerat nanodiamond yang terikat secara fisik, sehingga mencapai deaglomerasi yang efisien.
04 Modifikasi Kimia Organik Permukaan
Aglomerasi adalah proses spontan dengan energi aktivasi rendah. Sekalipun aglomerat untuk sementara terpecah oleh gaya luar, selama keadaan permukaan partikel belum berubah secara mendasar, permukaan yang baru tersingkap akan segera beragregasi kembali melalui gaya yang disebutkan di atas. Oleh karena itu, modifikasi kimia organik permukaan merupakan cara penting untuk menjaga stabilitas dispersi setelah deaglomerasi dengan mengubah keadaan permukaan partikel. Saat ini, pendekatan utama meliputi arilasi, fungsionalisasi sulfonasi‑intan, dan fotografi.
(1) Arilasi: Memasukkan gugus cincin aromatik seperti fenil atau naftil ke permukaan berlian nano dapat menempati lokasi ikatan permukaan yang menjuntai, sedangkan hambatan sterik yang ditimbulkan oleh struktur kakunya secara efektif mencegah pendekatan partikel. Selain itu, cincin aromatik yang diperkenalkan dapat berfungsi sebagai titik penahan untuk fungsionalisasi lebih lanjut.
(2) Sulfonasi: Memasukkan gugus asam sulfonat (-SO₃H) ke permukaan berlian nano melalui reaksi sulfonasi. Gugus asam sulfonat bersifat asam kuat dan terionisasi penuh dalam larutan air, sehingga secara signifikan mengubah potensial zeta permukaan partikel. Hal ini menghasilkan tolakan elektrostatik yang kuat antara partikel nanodiamond, yang secara efektif menangkal gaya tarik van der Waals dan mencegah re‑aglomerasi, sehingga mencapai deaglomerasi dan mempertahankan dispersi yang stabil. Pada saat yang sama, sulfonasi mengubah kimia permukaan berlian nano, meningkatkan polaritas permukaan dan secara nyata meningkatkan keterbasahan partikel dalam pelarut polar (misalnya air).
(3) Pemotretan: Menggunakan iradiasi sinar ultraviolet atau cahaya tampak untuk merangsang permukaan nanodiamond atau fotosensitizer untuk menghasilkan radikal bebas, yang memulai polimerisasi monomer olefinik di permukaan, mencangkok rantai polimer panjang. Monomer pencangkokan yang umum termasuk asam akrilamida, metil metakrilat, dll. Rantai polimer mengasumsikan konformasi yang diperluas dalam pelarut, membentuk lapisan penghalang sterik dengan ketebalan mulai dari beberapa nanometer hingga puluhan nanometer. Gaya tolak menolak meningkat tajam seiring dengan berkurangnya jarak antarpartikel, menjadikannya salah satu cara paling efektif untuk mencegah aglomerasi. Keuntungan fotografting mencakup kondisi reaksi yang ringan dan kontrol yang tepat terhadap kepadatan grafting dan panjang rantai dengan menyesuaikan waktu iradiasi dan konsentrasi monomer.