كيفية تشتيت الأنابيب النانوية الكربونية أحادية الجدار بصورة منفردة

تتمتع الأنابيب النانوية الكربونية أحادية الجدار (SWNTs أو SWCNTs) بخصائص فريدة، ولكن لإظهار هذه الخصائص يجب تشتيتها بصورة منفردة. وللاستفادة الكاملة من الخصائص الاستثنائية للأنابيب النانوية الكربونية أحادية الجدار، يجب فك تشابك الأنابيب بأكبر قدر ممكن. وتُظهر SWNTs، شأنها شأن الجسيمات النانوية الأخرى، قوى تجاذب عالية جدًا، ولذلك يلزم استخدام تقنية قوية وفعالة لضمان تفكيك التكتلات والتشتيت بصورة موثوقة. وفي حين لا توفر تقنيات الخلط الشائعة الشدة اللازمة لفك تشابك SWNTs دون إتلافها، فقد ثبت أن الموجات فوق الصوتية عالية القدرة تفك تشابك SWCNTs وتشتتها. وتكون قوى القص الناتجة عن التجويف المولَّد بالموجات فوق الصوتية قوية بما يكفي للتغلب على قوى الترابط، بينما يمكن ضبط شدة الموجات فوق الصوتية بدقة لتجنب إتلاف SWCNTs.

المشكلة:

تختلف الأنابيب النانوية الكربونية أحادية الجدار (SWCNTs) عن الأنابيب النانوية الكربونية متعددة الجدران (MWNTs/ MWCNTs) في خصائصها الكهربائية. ويمكن أن تتراوح فجوة الطاقة في SWCNTs من الصفر إلى 2 eV، وتتسم موصليتها الكهربائية بسلوك معدني أو شبه موصل. ولأن الأنابيب النانوية الكربونية أحادية الجدار شديدة التماسك، فإن عدم قابليتها المتأصلة للذوبان في المذيبات العضوية أو الماء يمثل إحدى العقبات الرئيسية في معالجة SWCNTs. وللاستفادة من كامل إمكانات SWCNTs، يلزم إجراء بسيط وموثوق وقابل للتوسع لتفكيك تكتلات الأنابيب. وعلى وجه الخصوص، فإن إضافة مجموعات وظيفية إلى الجدران الجانبية لأنابيب CNTs أو نهاياتها المفتوحة لإنشاء سطح بيني مناسب بين SWCNTs والمذيب العضوي لا تؤدي إلا إلى تقشير جزئي لـ SWCNTs. ولذلك، تُشتَّت SWCNTs في الغالب على هيئة حزم بدلًا من خيوط منفردة مفككة التكتلات. وإذا كانت الظروف أثناء التشتيت قاسية جدًا، فستُقصَّر SWCNTs إلى أطوال تتراوح بين 80 و200nm. ويكون هذا الطول قصيرًا جدًا بالنسبة إلى معظم التطبيقات العملية، أي عند استخدام SWCNTs لأغراض أشباه الموصلات أو التعزيز.

الحل:

تُعد المعالجة بالموجات فوق الصوتية طريقة فعالة جدًا لتشتيت الأنابيب النانوية الكربونية وتفكيك تكتلاتها، إذ تولِّد الموجات فوق الصوتية عالية الشدة التجويف في السوائل. وتؤدي الموجات الصوتية المنتشرة في الأوساط السائلة إلى دورات متناوبة من الضغط المرتفع (الانضغاط) والضغط المنخفض (التخلخل)، بمعدلات تعتمد على التردد. وخلال دورة الضغط المنخفض، تُنشئ الموجات فوق الصوتية عالية الشدة فقاعات فراغية صغيرة أو تجاويف في السائل. وعندما تصل الفقاعات إلى حجم لا تستطيع عنده امتصاص المزيد من الطاقة، تنهار بعنف خلال دورة الضغط المرتفع. وتُسمى هذه الظاهرة التجويف. وأثناء الانهيار الداخلي، تتحقق موضعيًا درجات حرارة مرتفعة جدًا (نحو 5,000K) وضغوط عالية جدًا (نحو 2,000atm). ويؤدي الانهيار الداخلي لفقاعة التجويف أيضًا إلى نفاثات سائلة تصل سرعتها إلى 280m/s. وهذه النفاثات السائلة الناتجة عن التجويف بالموجات فوق الصوتية، تتغلب على قوى الترابط بين الأنابيب النانوية الكربونية، ومن ثم تتفكك تكتلات الأنابيب النانوية. وتُعد المعالجة اللطيفة والمضبوطة بالموجات فوق الصوتية طريقة مناسبة لإنشاء معلقات من SWCNTs المشتتة ذات الأطوال الكبيرة، والمثبتة بمواد خافضة للتوتر السطحي. ولإنتاج SWCNTs بصورة مضبوطة، تتيح أجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية من Hielscher التشغيل باستخدام نطاق واسع من مجموعات معلمات الموجات فوق الصوتية. ويمكن تغيير سعة الموجات فوق الصوتية وضغط السائل وتركيبه بما يتناسب مع المادة والعملية المحددتين. ويوفر ذلك إمكانات متنوعة للضبط، مثل

• سعات سونوترود تصل إلى 170 micron
• ضغوط سائل تصل إلى 10 bars
• معدلات تدفق سائل تصل إلى 15L/min (بحسب العملية)
• درجات حرارة سائل تصل إلى 80 degC (درجات حرارة أخرى عند الطلب)
• لزوجة مادة تصل إلى 100,000cp

 

علاوة على ذلك، تتيح المعالجة بالموجات فوق الصوتية، بوصفها طريقة تنقية بمساعدة البوليمر، إزالة الشوائب بفعالية من SWCNTs كما نمت. ومن الصعب دراسة التعديل الكيميائي لـ SWCNTs على المستوى الجزيئي بسبب صعوبة الحصول على SWNTs نقية. وتحتوي SWCNTs كما نمت على شوائب عديدة، مثل الجسيمات المعدنية والكربون غير المتبلور. وتُعد معالجة SWCNTs بالموجات فوق الصوتية في محلول من بولي(ميثيل ميثاكريلات) PMMA في أحادي كلور البنزين (MCB)، يتبعها الترشيح، طريقة فعالة لتنقية SWCNTs. وتتيح طريقة التنقية هذه بمساعدة البوليمر إزالة الشوائب بفعالية من SWCNTs كما نمت. ويسمح التحكم الدقيق في سعة المعالجة بالموجات فوق الصوتية بتجنب إتلاف SWCNTs أو الحد منه.

معدات الموجات فوق الصوتية

تقدم Hielscher أجهزة عالية الأداء للمعالجة بالموجات فوق الصوتية لمعالجة أي حجم بالموجات فوق الصوتية. وتتيح أجهزة الموجات فوق الصوتية ذات القدرات من 50 watts إلى 16,000 watts، والتي يمكن تركيبها في مجموعات، اختيار جهاز الموجات فوق الصوتية المناسب لكل تطبيق، سواء في المختبر أو في الصناعة. وللتشتيت المتقدم للأنابيب النانوية، يُوصى بالمعالجة المستمرة بالموجات فوق الصوتية. وباستخدام خلايا التدفق من Hielscher، يصبح من الممكن تشتيت CNTs في سوائل مرتفعة اللزوجة، مثل البوليمرات والمصهورات عالية اللزوجة واللدائن الحرارية.

انقر هنا لقراءة المزيد عن تشتيت الأنابيب النانوية وتعديلها باستخدام الموجات فوق الصوتية عالية القدرة!