أنابيب نيتريد البورون النانوية – تقشيرها وتشتيتها باستخدام المعالجة بالموجات فوق الصوتية
تُطبَّق المعالجة بالموجات فوق الصوتية بنجاح لمعالجة أنابيب نيتريد البورون النانوية (BNNTs) وتشتيتها. وتتيح المعالجة بالموجات فوق الصوتية عالية الشدة فك تشابكها وتوزيعها بصورة متجانسة في محاليل مختلفة، ولذلك تُعد تقنية معالجة أساسية لإدماج BNNTs في المحاليل والمصفوفات.
معالجة أنابيب نيتريد البورون النانوية بالموجات فوق الصوتية
يتطلب إدماج أنابيب نيتريد البورون النانوية (BNNTs) أو البنى النانوية لنيتريد البورون (BNNs)، مثل الصفائح والأشرطة النانوية، في المحاليل السائلة أو المصفوفات البوليمرية تقنية تشتيت فعالة وموثوقة. ويوفر التشتيت بالموجات فوق الصوتية الطاقة اللازمة لتقشير أنابيب نيتريد البورون النانوية والبنى النانوية لنيتريد البورون، وفك تشابكها، وتشتيتها، وإضافة مجموعات وظيفية إليها بكفاءة عالية. وتتيح معلمات المعالجة بالموجات فوق الصوتية عالية الشدة، القابلة للتحكم الدقيق، أي الطاقة والسعة والوقت ودرجة الحرارة والضغط، ضبط ظروف المعالجة كلًّا على حدة بما يتوافق مع الهدف المنشود للعملية. ويعني ذلك إمكانية ضبط شدة الموجات فوق الصوتية وفقًا للتركيبة المحددة، مثل جودة BNNTs والمذيب وتركيز المواد الصلبة في السائل وغير ذلك، للحصول على نتائج مثلى.
مسار باستخدام الموجات فوق الصوتية لتخليق كؤوس نيتريد البورون النانوية
(الدراسة والرسم: Yu et al. 2012)
تشمل تطبيقات معالجة BNNTs وBNNs بالموجات فوق الصوتية النطاق الكامل بدءًا من التشتيت المتجانس للبنى النانوية ثنائية الأبعاد لنيتريد البورون (2D-BNNs)، وصولًا إلى إضافة مجموعات وظيفية إليها والتقشير الكيميائي لنيتريد البورون السداسي أحادي الطبقة. وفيما يلي، نعرض تفاصيل التشتيت والتقشير وإضافة المجموعات الوظيفية إلى BNNTs وBNNs باستخدام الموجات فوق الصوتية.
تركيب أجهزة تشتيت بالموجات فوق الصوتية (2x UIP1000hdT) لمعالجة أنابيب نيتريد البورون النانوية على النطاق الصناعي
تشتيت أنابيب نيتريد البورون النانوية بالموجات فوق الصوتية
عند استخدام أنابيب نيتريد البورون النانوية (BNNTs) لتدعيم البوليمرات أو لتخليق مواد جديدة، يلزم تشتيتها بصورة متجانسة وموثوقة داخل المصفوفة. وتُستخدم أجهزة التشتيت بالموجات فوق الصوتية على نطاق واسع لتشتيت المواد النانوية، مثل CNTs والجسيمات النانوية المعدنية والجسيمات ذات بنية اللب والغلاف وأنواع أخرى من الجسيمات النانوية، في طور ثانٍ.
وقد طُبِّق التشتيت بالموجات فوق الصوتية بنجاح لفك تشابك BNNTs وتوزيعها بصورة متجانسة في المحاليل المائية وغير المائية، بما في ذلك الإيثانول والإيثانول المحتوي على PVP والإيثانول المحتوي على TX100، وكذلك في بوليمرات مختلفة، مثل البولي يوريثان.
ومن المواد الخافضة للتوتر السطحي الشائعة لتثبيت مشتت BNNTs المُحضَّر بالموجات فوق الصوتية محلول دوديسيل كبريتات الصوديوم (SDS) بتركيز 1%wt. فعلى سبيل المثال، تُشتَّت 5 mg من BNNTs بالموجات فوق الصوتية في قارورة تحتوي على 5 mL من محلول SDS بتركيز 1%wt. باستخدام جهاز تشتيت بالموجات فوق الصوتية من نوع المسبار، مثل UP200St (26kHz, 200W).
تشتيت BNNTs في وسط مائي باستخدام الموجات فوق الصوتية
نظرًا إلى تآثرات فان دير فالس القوية وسطحها الكاره للماء، يصعب تشتيت أنابيب نيتريد البورون النانوية في المحاليل ذات الأساس المائي. ولحل هذه المشكلات، استخدم Jeon et al. (2019) مادتي Pluronic P85 وF127، اللتين تحتويان على مجموعات محبة للماء ومجموعات كارهة للماء، لإضافة مجموعات وظيفية إلى BNNT أثناء المعالجة بالموجات فوق الصوتية.
صور بالمجهر الإلكتروني الماسح (SEM) لأنابيب BNNTs التي قُصِّرت بعد مدد مختلفة من المعالجة بالموجات فوق الصوتية. وكما هو موضح، تنخفض أطوال هذه الأنابيب مع زيادة المدة التراكمية للمعالجة بالموجات فوق الصوتية.
(الدراسة والصورة: Lee et al. 2012)
تقشير صفائح نيتريد البورون النانوية باستخدام المعالجة بالموجات فوق الصوتية دون مواد خافضة للتوتر السطحي
يقدم Lin et al. (2011) طريقة نظيفة لتقشير نيتريد البورون السداسي (h-BN) وتشتيته. ويُعد نيتريد البورون السداسي تقليديًا غير قابل للذوبان في الماء. إلا أنهم تمكنوا من إثبات فعالية الماء في تقشير بنى h-BN الطبقية باستخدام المعالجة بالموجات فوق الصوتية، لتكوين مشتتات مائية «نظيفة» من صفائح h-BN النانوية دون استخدام مواد خافضة للتوتر السطحي أو إضافة مجموعات وظيفية عضوية. وأنتجت عملية التقشير بالموجات فوق الصوتية هذه صفائح h-BN نانوية قليلة الطبقات، وكذلك أشكالًا من الصفائح والأشرطة النانوية أحادية الطبقة. وكانت الأبعاد الجانبية لمعظم الصفائح النانوية أصغر، وهو ما نُسب إلى قطع صفائح h-BN الأصلية الناجم عن التحلل المائي بمساعدة المعالجة بالموجات فوق الصوتية، وهو تفسير دعمته نتائج اختبار الأمونيا والتحليل الطيفي. كما عزز التحلل المائي المستحث بالموجات فوق الصوتية تقشير صفائح h-BN النانوية، إلى جانب تأثير قطبية المذيب. وأظهرت صفائح h-BN النانوية في هذه المشتتات المائية «النظيفة» قابلية جيدة للمعالجة بطرق تعتمد على المحاليل، مع الاحتفاظ بخصائصها الفيزيائية. وأظهرت صفائح h-BN النانوية المشتتة في الماء أيضًا ألفة قوية تجاه بروتينات مثل الفيريتين، مما يشير إلى أن أسطح الصفائح النانوية كانت متاحة لمزيد من عمليات الاقتران الحيوي.
تقليل حجم أنابيب نيتريد البورون النانوية وقطعها بالموجات فوق الصوتية
يؤدي طول أنابيب نيتريد البورون النانوية دورًا حاسمًا في المعالجة اللاحقة لإدماج BNNTs في البوليمرات وغيرها من المواد التي أُضيفت إليها مجموعات وظيفية. ولذلك، من الحقائق المهمة أن معالجة BNNTs بالموجات فوق الصوتية في مذيب لا تتيح فصل الأنابيب بصورة منفردة فحسب، بل تتيح أيضًا تقصير BNNTs ذات البنية الشبيهة بالخيزران في ظروف مضبوطة. وتكون احتمالية تجمع BNNTs المُقصَّرة في حزم أثناء تحضير المواد المركبة أقل بكثير. وقد بيّن Lee at al. (2012) إمكانية تقصير أطوال BNNTs التي أُضيفت إليها مجموعات وظيفية بكفاءة من >10µm إلى ∼500nm باستخدام المعالجة بالموجات فوق الصوتية. وتشير تجاربهم إلى ضرورة التشتيت الفعال لـ BNNT في المحلول بالموجات فوق الصوتية لتحقيق هذا التقليل في الحجم والقطع.
(c) مشتت جيدًا من mPEG- DSPE/BNNTs في الماء (بعد 2 h من المعالجة بالموجات فوق الصوتية). (d) تمثيل تخطيطي لأنبوب BNNT أُضيفت إليه مجموعات وظيفية بواسطة جزيء mPEG-DSPE
(الدراسة والصورة: Lee et al. 2012)
مجانس بالموجات فوق الصوتية UP400St لتشتيت أنابيب نيتريد البورون النانوية (BNNTs)
أجهزة معالجة بالموجات فوق الصوتية عالية الأداء لمعالجة BNNTs
صُمِّمت الميزات الذكية لأجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية من Hielscher لضمان تشغيل موثوق ونتائج قابلة للتكرار وسهولة الاستخدام. ويمكن الوصول إلى إعدادات التشغيل وضبطها بسهولة عبر قائمة سهلة الاستخدام، يمكن الوصول إليها من خلال شاشة لمس رقمية ملونة والتحكم عن بُعد عبر المتصفح. وبذلك، تُسجَّل جميع ظروف المعالجة، مثل صافي الطاقة والطاقة الكلية والسعة والوقت والضغط ودرجة الحرارة، تلقائيًا على بطاقة SD مدمجة. ويتيح لك ذلك مراجعة عمليات المعالجة السابقة بالموجات فوق الصوتية ومقارنتها، وتحسين عملية تقشير أنابيب نيتريد البورون النانوية والمواد النانوية وتشتيتها لتحقيق أعلى كفاءة.
تُستخدم أنظمة Hielscher Ultrasonics في جميع أنحاء العالم لتصنيع BNNTs عالية الجودة. ويمكن لأجهزة المعالجة الصناعية بالموجات فوق الصوتية من Hielscher العمل بسهولة بسعات عالية في التشغيل المستمر (24/7/365). ويمكن توليد سعات تصل إلى 200µm بسهولة وبصورة مستمرة باستخدام سونوترودات قياسية (مسابير / أبواق الموجات فوق الصوتية). وللسعات الأعلى، تتوفر سونوترودات مخصصة للموجات فوق الصوتية. وبفضل متانتها وقلة احتياجاتها إلى الصيانة، تُركَّب أنظمتنا للتقشير والتشتيت بالموجات فوق الصوتية عادةً لتطبيقات الخدمة الشاقة وفي البيئات ذات المتطلبات الصعبة.
يمكن لمعالجات الموجات فوق الصوتية الصناعية من Hielscher Ultrasonics توفير سعات عالية جدًا. ويمكن تشغيلها بسهولة وبصورة مستمرة بسعات تصل إلى 200µm في تشغيل 24/7. وللسعات الأعلى، تتوفر سونوترودات مخصصة للموجات فوق الصوتية.
لقد رُكِّبت بالفعل معالجات الموجات فوق الصوتية من Hielscher لتشتيت أنابيب نيتريد البورون النانوية وتقشيرها، وكذلك CNTs والغرافين، على النطاق التجاري في جميع أنحاء العالم. اتصل بنا الآن لمناقشة عملية تصنيع BNNTs لديك! سيسر فريقنا ذو الخبرة الواسعة تزويدك بمزيد من المعلومات عن عملية التقشير وأنظمة الموجات فوق الصوتية والأسعار!
يقدم الجدول أدناه مؤشرًا على قدرة المعالجة التقريبية لأجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية لدينا:
| حجم الدفعة | معدل التدفق | الأجهزة الموصى بها |
|---|---|---|
| من 1 إلى 500mL | من 10 إلى 200mL/min | UP100H |
| من 10 إلى 2000mL | من 20 إلى 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| من 0.1 إلى 20L | من 0.2 إلى 4L/min | UIP2000hdT |
| من 10 إلى 100L | من 2 إلى 10L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | من 10 إلى 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | أكبر | مجموعة من أجهزة UIP16000 |
اتصل بنا! / اسألنا!
تصنع Hielscher Ultrasonics مجانسات بالموجات فوق الصوتية عالية الأداء لتطبيقات الخلط والتشتيت والاستحلاب والاستخلاص على النطاق المخبري والتجريبي والصناعي.
المصادر العلمية / المراجع
- Sang-Woo Jeon, Shin-Hyun Kang, Jung Chul Choi, Tae-Hwan Kim (2019): Dispersion of Boron Nitride Nanotubes by Pluronic Triblock Copolymer in Aqueous Solution. Polymers 11, 2019.
- Chee Huei Lee, Dongyan Zhang, Yoke Khin Yap (2012): Functionalization, Dispersion, and Cutting of Boron Nitride Nanotubes in Water. Journal of Physical Chemistry C 116, 2012. 1798–1804.
- Lin, Yi; Williams, Tiffany; Xu, Tian-Bing; Cao, Wei; Elsayed-Ali, Hani; Connell, John (2011): Aqueous Dispersions of Few-Layered and Monolayered Hexagonal Boron Nitride Nanosheets from Sonication-Assisted Hydrolysis: Critical Role of Water. The Journal of Physical Chemistry C 2011.
- Yuanlie Yu, Hua Chen, Yun Liu, Tim White, Ying Chen (2012): Preparation and potential application of boron nitride nanocups. Materials Letters, Vol. 80, 2012. 148-151.
- Luhua Li, Ying Chen, Zbigniew H. Stachurski (2013): Boron nitride nanotube reinforced polyurethane composites. Progress in Natural Science: Materials International Vol. 23, Issue 2, 2013. 70-173.
- Yanhu Zhan, Emanuele Lago, Chiara Santillo, Antonio Esaú Del Río Castillo, Shuai Hao, Giovanna G. Buonocore, Zhenming Chen, Hesheng Xia, Marino Lavorgna, Francesco Bonaccorso (2020): An anisotropic layer-by-layer carbon nanotube/boron nitride/rubber composite and its application in electromagnetic shielding. Nanoscale 12, 2020. 7782-7791.
- Kalay, Şaban; Çobandede, Zehra; Sen, Ozlem; Emanet, Melis; Kazanc, Emine; Culha, Mustafa (2015): Synthesis of boron nitride nanotubes and their applications. Beilstein Journal of Nanotechnology Vol 6, 2015. 84-102.
حقائق جديرة بالمعرفة
أنابيب نيتريد البورون النانوية والمواد النانوية
تتميز أنابيب نيتريد البورون النانوية ببنية ذرية فريدة تتكون من ذرات البورون والنيتروجين المرتبة في شبكة سداسية. وتمنح هذه البنية BNNT العديد من الخصائص الذاتية الممتازة، مثل القوة الميكانيكية الفائقة، والتوصيل الحراري العالي، والسلوك العازل كهربائيًا، والخاصية الكهروضغطية، والقدرة على الحجب النيوتروني، ومقاومة الأكسدة. ويمكن أيضًا ضبط فجوة نطاق الطاقة البالغة 5 eV باستخدام مجالات كهربائية مستعرضة، مما يجعل BNNTs مثيرة للاهتمام للأجهزة الإلكترونية. وبالإضافة إلى ذلك، تتمتع BNNTs بمقاومة عالية للأكسدة حتى 800°C، وتُظهر خاصية كهروضغطية ممتازة، وقد تكون مادة جيدة لتخزين الهيدروجين في درجة حرارة الغرفة.
BNNTs مقارنةً بالغرافين: تُعد BNNTs نظائر بنيوية للغرافين. ويتمثل الفرق الرئيسي بين المواد النانوية القائمة على نيتريد البورون ونظيراتها القائمة على الكربون في طبيعة الروابط بين الذرات. فالرابطة C-C في المواد النانوية الكربونية ذات طبيعة تساهمية خالصة، بينما تُظهر روابط B-N طبيعة أيونية جزئية بسبب أزواج e− في B-N ذي التهجين sp2. (راجع Emanet et al. 2019)
BNNTs مقارنةً بأنابيب الكربون النانوية: تُظهر أنابيب نيتريد البورون النانوية (BNNTs) بنية نانوية أنبوبية مشابهة لأنابيب الكربون النانوية (CNTs)، وتكون ذرات البورون والنيتروجين فيها مرتبة في شبكة سداسية.
الزينات: الزينات مواد نانوية ثنائية الأبعاد (2D) أحادية العنصر. ومن أمثلتها البارزة borophene وgallenene وsilicene وgermanene وstanene وphosphorene وarsenene وantimonene وbismuthene وtellurene وselenene. وتتمتع الزينات بخصائص مادية استثنائية، مما يمنحها إمكانية تجاوز القيود المرتبطة بالتطبيقات العملية للمواد الأخرى ثنائية الأبعاد (2D). تعرّف على المزيد عن تقشير الزينات بالموجات فوق الصوتية!
تصنع Hielscher Ultrasonics مجانسات بالموجات فوق الصوتية عالية الأداء بدءًا من الحجم المخبري وصولًا إلى الحجم الصناعي.