Şok dalga sentezi,
bir mekanik şok-dalga etkileri metodudur; son ürün sentezi için, hızla
ilerleyen bir prosesle dinamik bir ortam yaratılması ve ürünün nanometre
boyutlarda toz dispersiyon haline gelmesini sağlayan bir yöntemdir.
Detonasyon (patlama)
sentezi, karbonun farklı morfolojik formlarını üretmek için uygulanır;
özellikle nanokristalin elmas tozu (nanoelmas) ve farklı metallerin (Al, Mg,
Ti, Zr, Zn v.s.) nanotoz oksitleri gibi.
Grafitin metallerle
karışımından elmas nanopartiküller üretilirken şok darbe, 20-40 GPa kadar
yüksek basınçlarda 10-20 mikrosaniyeden daha fazla sürmez. Elmas tozlarını
üretmek için daha verimli bir metot, yüksek karbon ve nispeten düşük oksijene
sahip organik substansların patlaması yöntemidir, yani, negatif oksijen dengeli
yoğun (kondens) patlayıcıların detonasyonu; bu durumda patlayıcıdan çıkan
serbest karbon elmas fazına dönüşür. Negatif oksijen dengeli ergimiş karbon-içeren
patlayıcılardan elmas tozlarının detonasyon sentezi için iki olasılık vardır.
Bunlardan biri elmas nanopartiküllerin ‘kuru’ sentezidir; bu seçenekte patlama
ürünleri inert bir atmosfere yayılır ve gaz fazda soğutulur. Diğeri elmas parçacıkların
bir su soğutucu ile soğutulduğu ‘su’ füzyonu yöntemidir.
Detonasyon işlemi için karakteristik olan yüz binlerce
atmosfer basınçlar ve birkaç bin derece sıcaklıklar, karbon (olası durum) P-T
diyagramındaki elmas faza ait termodinamik kararlılık bölgesine uyar. Aynı
zamanda, detonasyon sentezde, (elmas formu için gerekli yüksek basınçlar ve
yüksek sıcaklıklar süresi çok kısa olduğundan) oluşum kinetikleri ve elmas
fazın nükleasyon merkezlerinin büyümesi önemli bir rol oynar. Genellikle, elmas
nanotozlar TNT ve RDX (ağırlık oranı 1/1 veya 3/2) karışımı kullanılarak
üretilir. Bu tür karışımlar için detonasyon dalgası basıncı P > 15 GPa, ve
sıcaklığı T > 3000 K ‘dir. ‘Kuru’ detanasyon sentezde proses, inert bir gaz
veya karbon dioksitle doldurulmuş özel patlama odalarında yürütülür; inert gaz
veya CO2, oluşan elmas partiküllerin oksitlenmesini ve grafite
dönüşmesini engeller. Elmas nanopartiküllerin oluşması 0.2-0.5 ms kadar bir zaman
alır; çünkü detonasyon sentezde partiküller çok kısa zamanda meydana gelir ve
büyüme hızları, statik koşullar için gerekenden birkaç kat daha yüksektir. patlamadan
sonra yoğunlaşan sentez ürünleri toplanır, basınç altında sıcak mineral
aşitlerle işlemlenerek kalıntı ve diğer safsızlıklar uzaklaştırılır, tekrar
tekrar suda yıkanır ve kurutulur. Bu metotta elmas toz verimi patlayıcının
başlangıçtaki kütlesinin %8-9’udur. Detonasyon sentezle üretilen elmas
nanotozların karakteristik bir özelliği nanopartiküllerin boyutlarının
fevkalade küçük olmasıdır; partiküller (kütle-bulk) 4-5 nm boyutundadır.
Detonasyon sentezinde kaynak malzemeler metaller ve
kimyasallar olduğunda, proses kimyasal olarak nötral bir gaz veya sıvı ortamda
yapılır; ortam, aynı zamanda üretilen malzemelerin hızla soğumasını sağlamalı
ve yüksek sıcaklık ve metastabil kristal modifikasyonlarını stabilize
edebilmelidir. Bu durumda, bir substans tabaka ( yüksek derecede poröz metal
ortam, kimyasal bileşik, metal hidrat jel veya sol) patlayıcının şok darbesine
tutulur. Şok dalga, yüksek poröz metalin sıkışmasına ve ısınmasına; veya ana
bileşiğin oksite, sonra da oksit fazın stabilizasyonuna neden olur. Şok dalga
kaynak malzemenin serbest yüzeyüne ulaştıktan sonra, patlama odasının gaz
atmosferine veya sıvı soğutucuya dağılır.
Metal oksit tozlarının detonasyon sentezinde oksijen-aktif
bir ortam (örn. O2 + N2) kullanılır. Metalin yanarak
oksit haline dönüşmesi genleşme aşamasında gerçekleşir. Karbon dioksit
atmosferinde karbon nanotüpler ve küresel karbon nanopartiküller sentezlenebilir.
Elmas sentez bölgelerini gösteren
karbon (durumu) p-T faz diyagramı; (1) grafitli detonasyon
sentezi, (2) bir katalizörle
statik transformasyon, (3) bir katalizör
olmadan statik transformasyon, (4) TNT ve heksojenli
detonasyon sentezi
