صفائح الغرافين النانوية المُصنَّعة والمشتَّتة بواسطة المعالجة بالموجات فوق الصوتية باستخدام مسبار
يمكن تصنيع صفائح الغرافين النانوية (GNPs) وتشتيتها بكفاءة وموثوقية عاليتين باستخدام أجهزة معالجة بالموجات فوق الصوتية. وتُستخدم المعالجة بالموجات فوق الصوتية عالية الشدة لتقشير الغرافيت والحصول على غرافين قليل الطبقات، يُشار إليه غالبًا باسم صفائح الغرافين النانوية. وتتميز المعالجة بالموجات فوق الصوتية أيضًا بقدرتها على تحقيق توزيع ممتاز لصفائح الغرافين النانوية في المعلقات منخفضة اللزوجة وعالية اللزوجة على حد سواء.
معالجة صفائح الغرافين النانوية – نتائج متفوقة باستخدام المعالجة بالموجات فوق الصوتية
تُعد أجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية من نوع المسبار أكثر الأدوات كفاءة وموثوقية وسهولة في الاستخدام لمعالجة صفائح الغرافين النانوية. ونظرًا إلى إمكانية استخدام المعالجة بالموجات فوق الصوتية لتصنيع صفائح الغرافين النانوية وتشتيتها وتعديلها وظيفيًا، تُستخدم هذه الأجهزة في العديد من التطبيقات المرتبطة بالغرافين:
- التقشير والتصنيع تُستخدم أجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية من نوع المسبار لتقشير الغرافيت وتحويله إلى غرافين قليل الطبقات أو صفائح غرافين نانوية. وتُضعف المعالجة بالموجات فوق الصوتية عالية الشدة القوى بين الطبقات وتفكك الغرافيت إلى رقائق غرافين منفردة أصغر حجمًا.
- التشتيت: يُعد تحقيق تشتيت متجانس لصفائح الغرافين النانوية في وسط سائل أمرًا بالغ الأهمية لجميع التطبيقات المرتبطة بالغرافين. ويمكن لأجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية من نوع المسبار تشتيت الصفائح النانوية بالتساوي في جميع أنحاء السائل، مما يمنع التكتل ويضمن معلقًا مستقرًا.
- التعديل الوظيفي: تُسهِّل المعالجة بالموجات فوق الصوتية التعديل الوظيفي لصفائح الغرافين النانوية من خلال تعزيز ارتباط المجموعات الوظيفية أو الجزيئات بأسطحها. ويعزز هذا التعديل الوظيفي توافقها مع بوليمرات أو مواد محددة.
نظام تشتيت بالموجات فوق الصوتية للتشتيت الصناعي لصفائح الغرافين النانوية ضمن خط المعالجة
تصنيع صفائح الغرافين النانوية بواسطة المعالجة بالموجات فوق الصوتية
يمكن تصنيع صفائح الغرافين النانوية بتقشير الغرافيت بمساعدة الموجات فوق الصوتية. ولهذا الغرض، يُعالَج معلق الغرافيت بالموجات فوق الصوتية باستخدام مجانس بالموجات فوق الصوتية من نوع المسبار. وقد اختُبر هذا الإجراء عند تراكيز للمواد الصلبة تتراوح من منخفضة جدًا (مثل 4wt% أو أقل) إلى مرتفعة (مثل 10wt% أو أكثر).
أفاد Ghanem وRehim (2018) بتقشير الغرافيت بالموجات فوق الصوتية في الماء بمساعدة دوديسيل بنزين سلفونات الصوديوم (SDS) لتحضير صفائح غرافين نانوية مشتتة، إذ أتاح استخدام جهاز المعالجة بالموجات فوق الصوتية من نوع المسبار UP 100H تحضير غرافين قليل الطبقات وخالٍ من العيوب (>5) بنجاح. واستُخدمت المادة الأولية التالية: حُضِّرت رقائق الغرافين النانوية المختزلة بطريقة Hummer، وعولجت بخطوتين إضافيتين، هما أكسدة الغرافيت ثم اختزال أكسيد الغرافين. وبذلك، تم الحصول على صفائح غرافين نانوية مشتتة في الماء بطريقة التشتيت بالمذيب (انظر المخطط أدناه). وقُشِّرت طبقات الغرافيت بالمعالجة بالموجات فوق الصوتية باستخدام جهاز المعالجة بالموجات فوق الصوتية من نوع المسبار UP100H (100 W). وأُذيب 0.25 g من SDS في 150 mL من الماء منزوع الأيونات، ثم أُضيف 0.5 g من الغرافيت. وعُولج محلول الغرافيت بالموجات فوق الصوتية لمدة 12h في حمام ثلجي، ثم خضع محلول المعلق للطرد المركزي عند 686× g لمدة 30 min لإزالة الجسيمات الكبيرة. وتم التخلص من الراسب، وأُعيد طرد السائل الفوقاني مركزيًا لمدة 90 min عند 12,600× g. وغُسلت صفائح الغرافين النانوية المشتتة الناتجة جيدًا عدة مرات للتخلص من المادة الخافضة للتوتر السطحي. وأخيرًا، جُفف المنتج عند 60ºC تحت التفريغ.
صور بالمجهر الإلكتروني النافذ عالي الدقة لرقائق الغرافين النانوية التي تم الحصول عليها
بواسطة التشتيت في الطور المائي بمساعدة الموجات فوق الصوتية وطريقة Hummer.
(الدراسة والرسم: Ghanem وRehim، 2018)
ما الفرق بين رقائق الغرافين وصفائح الغرافين النانوية؟
رقائق الغرافين وصفائح الغرافين النانوية كلتاهما مواد نانوية تتكون من الغرافين، وهو طبقة واحدة من ذرات الكربون المرتبة في شبكة سداسية. ويُستخدم مصطلحا رقائق الغرافين وصفائح الغرافين النانوية أحيانًا بالتبادل. لكن من الناحية العلمية، توجد بعض الاختلافات بين هذه المواد النانوية الغرافينية: يكمن الاختلاف الأساسي بين رقائق الغرافين وصفائح الغرافين النانوية في بنيتها وسماكتها. وتتكون رقائق الغرافين من طبقة واحدة من ذرات الكربون، وهي رقيقة للغاية، بينما تكون صفائح الغرافين النانوية أكثر سماكة وتتكون من طبقات غرافين متعددة متراصة. ويمكن أن تؤثر هذه الاختلافات البنيوية في خصائصها وملاءمتها لتطبيقات محددة. ويُعد استخدام أجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية من نوع المسبار تقنية عالية الفعالية والكفاءة لتصنيع رقائق الغرافين أحادية الطبقة، وكذلك صفائح الغرافين النانوية المتراصة قليلة الطبقات، وتشتيتها وتعديلها وظيفيًا.
رسم يوضح تصنيع صفائح الغرافين النانوية بالموجات فوق الصوتية باستخدام جهاز المعالجة بالموجات فوق الصوتية UP100H
(الدراسة والرسم: Ghanem وRehim، 2018)
جهاز المعالجة بالموجات فوق الصوتية من نوع المسبار UP400St لتحضير مشتتات صفائح الغرافين النانوية
تشتيت صفائح الغرافين النانوية باستخدام المعالجة بالموجات فوق الصوتية
يُعد التشتيت المتجانس لصفائح الغرافين النانوية (GNPs) أمرًا بالغ الأهمية في تطبيقات متنوعة، لأنه يؤثر مباشرة في خصائص المواد أو المنتجات الناتجة وأدائها. ولذلك، تُركَّب أجهزة معالجة بالموجات فوق الصوتية لتشتيت صفائح الغرافين النانوية في صناعات مختلفة. وتُعد الصناعات التالية أمثلة بارزة على استخدام الموجات فوق الصوتية عالية القدرة:
- المواد المركبة النانوية: يمكن دمج صفائح الغرافين النانوية في مواد مركبة نانوية مختلفة، مثل البوليمرات، لتعزيز خصائصها الميكانيكية والكهربائية والحرارية. وتساعد أجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية من نوع المسبار على تشتيت الصفائح النانوية بصورة متجانسة داخل المصفوفة البوليمرية، مما يؤدي إلى تحسين أداء المادة.
- الأقطاب الكهربائية والبطاريات: تُستخدم صفائح الغرافين النانوية في تطوير أقطاب كهربائية عالية الأداء للبطاريات والمكثفات الفائقة. وتساعد المعالجة بالموجات فوق الصوتية على تكوين مواد أقطاب كهربائية قائمة على الغرافين وجيدة التشتيت، ذات مساحة سطحية أكبر، مما يحسن قدرات تخزين الطاقة.
- التحفيز: يمكن استخدام المعالجة بالموجات فوق الصوتية لتحضير مواد حفازة قائمة على صفائح الغرافين النانوية. ويمكن أن يعزز التشتيت المتجانس للجسيمات النانوية الحفازة على سطح الغرافين النشاط التحفيزي في تفاعلات متنوعة.
- المستشعرات: يمكن استخدام صفائح الغرافين النانوية في تصنيع مستشعرات لتطبيقات متنوعة، تشمل استشعار الغازات والاستشعار الحيوي والرصد البيئي. وتضمن المعالجة بالموجات فوق الصوتية توزيعًا متجانسًا للصفائح النانوية في مواد المستشعرات، مما يؤدي إلى تحسين الحساسية والأداء.
- الطلاءات والأغشية: تُستخدم أجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية من نوع المسبار لتحضير طلاءات وأغشية قائمة على صفائح الغرافين النانوية لتطبيقات في الإلكترونيات والطيران والفضاء والطلاءات الواقية. ويُعد التشتيت المتجانس والالتصاق المناسب بالركائز أمرين بالغَي الأهمية لهذه التطبيقات.
- التطبيقات الطبية الحيوية: في التطبيقات الطبية الحيوية، يمكن استخدام صفائح الغرافين النانوية لإيصال الأدوية والتصوير وهندسة الأنسجة. وتساعد المعالجة بالموجات فوق الصوتية على تحضير الجسيمات النانوية والمواد المركبة القائمة على الغرافين والمستخدمة في هذه التطبيقات.
صور بالمجهر الإلكتروني الماسح (SEM) لصفائح الغرافين النانوية عند (b) X3000 و(c) X8000
(الدراسة والصور: ©Alizadeh وآخرون، 2018)
نتائج مثبتة علميًا لمشتتات صفائح الغرافين النانوية المُحضَّرة بالموجات فوق الصوتية
استخدم العلماء أجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية من Hielscher لتصنيع صفائح الغرافين النانوية وتشتيتها في دراسات عديدة، واختبروا تأثيرات المعالجة بالموجات فوق الصوتية بدقة. وفيما يلي بعض الأمثلة على الخلط الناجح لصفائح الغرافين النانوية في مخاليط مختلفة، مثل العجائن المائية أو راتنجات الإيبوكسي أو الملاط.
من الإجراءات الشائعة لتشتيت صفائح الغرافين النانوية بصورة موثوقة وسريعة ومتجانسة الإجراء التالي:
للتشتيت، عُولجت صفائح الغرافين النانوية بالموجات فوق الصوتية في أسيتون نقي باستخدام الخلاط بالموجات فوق الصوتية UP400S من Hielscher لمدة تقارب ساعة واحدة لمنع تكتل رقائق الغرافين. وأُزيل الأسيتون تمامًا بالتبخير. ثم أُضيفت صفائح الغرافين النانوية بنسبة 1 wt % من نظام الإيبوكسي، وعُولجت بالموجات فوق الصوتية في راتنج الإيبوكسي بقدرة 90W لمدة 15 دقيقة.
(راجع Cakir وآخرون، 2016)
تبحث دراسة أخرى في تعزيز الموائع النانوية القائمة على السوائل الأيونية (الموائع النانوية الأيونية) بإضافة صفائح الغرافين النانوية. ولتحقيق تشتيت متفوق، جُونس مزيج صفائح الغرافين النانوية والسائل الأيوني ودوديسيل بنزين سلفونات الصوديوم باستخدام جهاز المعالجة بالموجات فوق الصوتية من نوع المسبار UP200S من Hielscher لمدة تقارب 90 min.
(راجع Alizadeh وآخرون، 2018)
أفاد Tragazikis وآخرون (2019) بالدمج الفعال لصفائح الغرافين النانوية في الملاط. ولهذا الغرض، أُنتجت معلقات غرافين مائية بإضافة الصفائح النانوية – بأوزان تحددها نسب المحتوى المستهدفة المرغوبة في المواد الناتجة – إلى مخاليط من ماء الصنبور العادي والملدِّن، ثم إجراء تحريك مغناطيسي لمدة 2 min. وجُونست المعلقات بالمعالجة بالموجات فوق الصوتية لمدة 90 min عند درجة حرارة الغرفة، باستخدام جهاز Hielscher UP400S (Hielscher Ultrasonics GmbH) مزود بسونوترود مقاسه 22mm، يقدم طاقة بمعدل 4500 J/min عند تردد 24 kHz. وحُددت التوليفة الخاصة من معدل الطاقة ومدة المعالجة بالموجات فوق الصوتية بوصفها التوليفة المثلى بعد دراسة دقيقة لتأثير معلمات المعالجة بالموجات فوق الصوتية في جودة المعلق.
(راجع Tragazikis وآخرون، 2019)
ذكر Zainal وآخرون (2018) في بحثهم أن تقنية تشتيت مناسبة، مثل المعالجة بالموجات فوق الصوتية، تضمن قدرة المواد النانوية، مثل صفائح الغرافين النانوية، على تعزيز خصائص مواد الملء. ويرجع ذلك إلى أن التشتيت أحد أهم العوامل في إنتاج مواد مركبة نانوية عالية الجودة، مثل مونة الحقن الإيبوكسية.
عينة من BMIM-PF6 النقي (يسارًا) ومائع نانوي أيوني مُحضَّر بالموجات فوق الصوتية بتركيز 2% wt. (يمينًا).
(الدراسة والصور: ©Alizadeh وآخرون، 2018)
أجهزة معالجة بالموجات فوق الصوتية عالية الأداء لمعالجة صفائح الغرافين النانوية
تُعد Hielscher Ultrasonics الشركة الرائدة في السوق في مجال أجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية عالية الأداء لمعالجة المواد النانوية. وتُستخدم أجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية من نوع المسبار من Hielscher في جميع أنحاء العالم، في المختبرات والبيئات الصناعية، لتطبيقات متنوعة تشمل معالجة صفائح الغرافين النانوية.
إن أحدث التقنيات والحرفية والهندسة الألمانيتين، إلى جانب الخبرة التقنية الطويلة، تجعل Hielscher Ultrasonics شريككم المفضل لتحقيق تطبيق ناجح للموجات فوق الصوتية.
- كفاءة عالية
- أحدث التقنيات
- الموثوقية والمتانة
- تحكم دقيق وقابل للضبط في العملية
- المعالجة على دفعات وضمن خط المعالجة
- لأي حجم
- برمجيات ذكية
- ميزات ذكية (مثل قابلية البرمجة وتسجيل البيانات والتحكم عن بُعد)
- سهولة التشغيل وأمانه
- احتياجات صيانة قليلة
- CIP (التنظيف في المكان)
التصميم والتصنيع والاستشارات – جودة صُنعت في ألمانيا
تشتهر أجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية من Hielscher بأعلى معايير الجودة والتصميم. وتتيح متانتها وسهولة تشغيلها دمج أجهزتنا بسلاسة في المنشآت الصناعية. وتتعامل أجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية من Hielscher بسهولة مع الظروف القاسية والبيئات المتطلبة.
Hielscher Ultrasonics شركة حاصلة على شهادة ISO، وتولي اهتمامًا خاصًا لأجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية عالية الأداء التي تتميز بأحدث التقنيات وسهولة الاستخدام. وبالطبع، تتوافق أجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية من Hielscher مع CE وتلبي متطلبات UL وCSA وRoHs.
يقدم الجدول أدناه مؤشرًا على قدرة المعالجة التقريبية لأجهزتنا العاملة بالموجات فوق الصوتية:
| حجم الدفعة | معدل التدفق | الأجهزة الموصى بها |
|---|---|---|
| 0.5 إلى 1.5mL | n.a. | VialTweeter | 1 إلى 500mL | 10 إلى 200mL/min | UP100H |
| 10 إلى 2000mL | 20 إلى 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 إلى 20L | 0.2 إلى 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 إلى 100L | 2 إلى 10L/min | UIP4000hdT |
| 15 إلى 150L | 3 إلى 15L/min | UIP6000hdT |
| n.a. | 10 إلى 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | أكبر | مجموعة من UIP16000 |
تواصلوا معنا! / اسألونا!
تصنع Hielscher Ultrasonics مجانسات بالموجات فوق الصوتية عالية الأداء لتطبيقات الخلط والتشتيت والاستحلاب والاستخلاص على النطاق المختبري والتجريبي والصناعي.
المؤلفات / المراجع
- Ghanem, A.F.; Abdel Rehim, M.H. (2018): Assisted Tip Sonication Approach for Graphene Synthesis in Aqueous Dispersion. Biomedicines 6, 63; 2018.
- Zainal, Nurfarahin; Arifin, Hanis; Zardasti, Libriati; Yahaya, Nordin; Lim, Kar Sing; Lai, Jian; Noor, Norhazilan (2018): Tensile Properties of Epoxy Grout Incorporating Graphene Nanoplatelets for Pipeline Repair. MATEC Web of Conferences, 2018.
- Ferit Cakir, Habib Uysal, Volkan Acar (2016): Experimental modal analysis of masonry arches strengthened with graphene nanoplatelets reinforced prepreg composites. Measurement, Volume 90, 2016. 233-241.
- Jalal Alizadeh, Mostafa Keshavarz Moraveji (2018): An experimental evaluation on thermophysical properties of functionalized graphene nanoplatelets ionanofluids. International Communications in Heat and Mass Transfer, Volume 98, 2018. 31-40.
- Ilias Κ. Tragazikis, Konstantinos G. Dassios, Panagiota T. Dalla, Dimitrios A. Exarchos (2019): Theodore E. Matikas (2019): Acoustic emission investigation of the effect of graphene on the fracture behavior of cement mortars. Engineering Fracture Mechanics, Volume 210, 2019. 444-451.
- Matta, S.; Rizzi, L.G.; Frache, A. (2021): PET Foams Surface Treated with Graphene Nanoplatelets: Evaluation of Thermal Resistance and Flame Retardancy. Polymers 2021, 13, 501.
حقائق جديرة بالمعرفة
رقائق الغرافين مقارنة بصفائح الغرافين النانوية
رقائق الغرافين وصفائح الغرافين النانوية كلتاهما بُنى نانوية مشتقة من الغرافيت. ويبرز الجدول أدناه أهم الاختلافات بين رقائق الغرافين وصفائح الغرافين النانوية.
| وجه الاختلاف | رقائق الغرافين | صفائح الغرافين النانوية |
|---|---|---|
| البنية | تكون رقائق الغرافين عادةً طبقات منفردة من الغرافين ذات بنية ثنائية الأبعاد. ويمكن أن تكون كبيرة جدًا ومتصلة، وتمتد على مساحات عيانية. | تكون صفائح الغرافين النانوية أصغر حجمًا وأكثر سماكة مقارنة برقائق الغرافين المنفردة. وتتكون من طبقات متعددة من الغرافين متراصة فوق بعضها، تشكل بُنى شبيهة بالصفائح. وقد يختلف عدد الطبقات في الصفيحة النانوية، لكنه يتراوح عادةً من بضع طبقات إلى عدة عشرات من الطبقات |
| السماكة | هذه بُنى غرافين أحادية الطبقة، ولذلك فهي رقيقة للغاية، إذ تبلغ سماكتها عادةً ذرة واحدة فقط. | هذه أكثر سماكة من رقائق الغرافين أحادية الطبقة لأنها تتكون من طبقات غرافين متعددة متراصة معًا. وتعتمد سماكة صفائح الغرافين النانوية على عدد الطبقات التي تحتوي عليها. |
| الخصائص | تتميز رقائق الغرافين أحادية الطبقة بخصائص استثنائية، مثل الموصلية الكهربائية العالية والموصلية الحرارية العالية والمتانة الميكانيكية. كما تُظهر خصائص إلكترونية فريدة، مثل تأثيرات الحصر الكمومي. | تحتفظ صفائح الغرافين النانوية ببعض الخصائص الممتازة للغرافين، مثل الموصلية الكهربائية والحرارية العاليتين، لكنها قد لا تكون استثنائية بالقدر نفسه الذي يتميز به الغرافين أحادي الطبقة في هذه الجوانب، بسبب وجود طبقات متعددة. ومع ذلك، فإنها لا تزال تقدم مزايا مقارنة بالمواد الكربونية التقليدية. |
| التطبيقات | لرقائق الغرافين أحادية الطبقة مجموعة واسعة من التطبيقات المحتملة، تشمل الإلكترونيات والمواد المركبة النانوية والمستشعرات وغيرها. وغالبًا ما تُستخدم بفضل خصائصها الإلكترونية الاستثنائية. | تُستخدم صفائح الغرافين النانوية في تطبيقات متنوعة، مثل مواد التقوية في المواد المركبة، ومواد التشحيم، وأجهزة تخزين الطاقة، وكذلك بوصفها إضافات لتحسين خصائص مواد أخرى. وتجعل بنيتها الأكثر سماكة تشتيتها أسهل في بعض المصفوفات مقارنة بالغرافين أحادي الطبقة. |
تصنع Hielscher Ultrasonics مجانسات بالموجات فوق الصوتية عالية الأداء بأحجام تتراوح من الأحجام المختبرية إلى الأحجام الصناعية.