تشتيت الأنابيب النانوية الكربونية (CNT) بالموجات فوق الصوتية
الأنابيب النانوية الكربونية قوية ومرنة، لكنها شديدة التماسك فيما بينها. ويصعب تشتيتها في السوائل، مثل الماء والإيثانول والزيت والبوليمر أو راتنج الإيبوكسي. وتُعد الموجات فوق الصوتية طريقة فعالة للحصول على أنابيب نانوية كربونية منفصلة – مشتتة بشكل فردي.
تُستخدم الأنابيب النانوية الكربونية (CNT) في المواد اللاصقة والطلاءات والبوليمرات، وكمواد مالئة موصلة للكهرباء في البلاستيك لتبديد الشحنات الساكنة في المعدات الكهربائية وفي ألواح هياكل السيارات القابلة للطلاء الكهروستاتيكي. وباستخدام الأنابيب النانوية، يمكن جعل البوليمرات أكثر مقاومة لدرجات الحرارة والمواد الكيميائية القاسية والبيئات المسببة للتآكل والضغوط الشديدة والسحج. وهناك فئتان من الأنابيب النانوية الكربونية: الأنابيب النانوية أحادية الجدار (SWNT) والأنابيب النانوية متعددة الجدران (MWNT).
مجانس صناعي بالموجات فوق الصوتية UIP1500hdT لتشتيت الأنابيب النانوية الكربونية (CNTs) وغيرها من المواد النانوية.
تتوفر الأنابيب النانوية الكربونية عادةً في صورة مادة جافة، على سبيل المثال من شركات مثل SES Research أو CNT Co., Ltd. ويلزم إجراء بسيط وموثوق وقابل للتوسع لتفكيك التكتلات، من أجل الاستفادة من الأنابيب النانوية بأقصى إمكاناتها. وبالنسبة إلى السوائل التي تصل لزوجتها إلى 100,000cP، تُعد الموجات فوق الصوتية تقنية فعالة للغاية لتشتيت الأنابيب النانوية في الماء أو الزيت أو البوليمرات بتركيزات منخفضة أو مرتفعة. فالتيارات النفاثة السائلة الناتجة عن التجويف بالموجات فوق الصوتية، تتغلب على قوى الترابط بين الأنابيب النانوية وتفصل الأنابيب بعضها عن بعض. وبفضل قوى القص والاضطرابات الدقيقة المتولدة بالموجات فوق الصوتية، يمكن للموجات فوق الصوتية أيضًا أن تساعد في طلاء أسطح الأنابيب النانوية وفي تفاعلها الكيميائي مع مواد أخرى.
عمومًا، يُخلط مشتت أولي خشن للأنابيب النانوية مسبقًا باستخدام مقلب قياسي، ثم يُجانس في مفاعل خلية التدفق بالموجات فوق الصوتية. ويعرض الفيديو أدناه تجربة مختبرية (معالجة بالموجات فوق الصوتية على دفعات باستخدام جهاز UP400S) لتشتيت الأنابيب النانوية الكربونية متعددة الجدران في الماء بتركيز منخفض. وبسبب الطبيعة الكيميائية للكربون، فإن تشتيت الأنابيب النانوية في الماء صعب نسبيًا. وكما يظهر في الفيديو، يمكن بسهولة إثبات قدرة المعالجة بالموجات فوق الصوتية على تشتيت الأنابيب النانوية بفعالية.
مقارنة بين مواد مالئة نانوية مختلفة مشتتة في عامل تصلب باستخدام المعالجة بالموجات فوق الصوتية بواسطة مسبار): (a) ألياف نانوية كربونية (CNF) بنسبة 0.5 wt%؛ (b) CNToxid بنسبة 0.5 wt%؛ (c) أنابيب نانوية كربونية (CNT) بنسبة 0.5 wt%؛ (d) CNT مشتتة جزئيًا بنسبة 0.5 wt%.
الدراسة والصورة: ©Zanghellini et al., 2021
تشتيت الأنابيب النانوية أحادية الجدار (SWNTs) الفردية ذات الأطوال الكبيرة
تتمثل إحدى المشكلات الرئيسية في معالجة الأنابيب النانوية أحادية الجدار (SWNTs) ومناولتها في عدم قابليتها المتأصلة للذوبان في المذيبات العضوية الشائعة والماء. وغالبًا ما تؤدي إضافة مجموعات وظيفية إلى الجدار الجانبي للأنابيب النانوية أو أطرافها المفتوحة، لإنشاء سطح بيني مناسب بين SWNTs والمذيب، إلى تفكيك جزئي فقط لحزم SWNTs الشبيهة بالحبال.
ونتيجة لذلك، تُشتت SWNTs عادةً على هيئة حزم بدلًا من أنابيب فردية معزولة تمامًا. وعند استخدام ظروف شديدة القسوة أثناء التشتيت، تُقصّر SWNTs إلى أطوال تتراوح بين 80 و200nm. وعلى الرغم من أن ذلك مفيد لبعض الاختبارات، فإن هذا الطول قصير جدًا لمعظم التطبيقات العملية، مثل استخدام SWNTs كمواد شبه موصلة أو مواد تعزيز. وتُعد المعالجة اللطيفة والمضبوطة بالموجات فوق الصوتية (على سبيل المثال باستخدام UP200Ht مع سونوترود بقياس 40mm) إجراءً فعالًا لتحضير مشتتات مائية من SWNTs فردية طويلة. وتُقلل سلاسل المعالجة اللطيفة بالموجات فوق الصوتية من التقصير وتتيح الحفاظ على الخصائص البنيوية والإلكترونية إلى أقصى حد.
تنقية SWNT بالمعالجة بالموجات فوق الصوتية بمساعدة البوليمر
يصعب دراسة التعديل الكيميائي للأنابيب النانوية أحادية الجدار (SWNTs) على المستوى الجزيئي، بسبب صعوبة الحصول على SWNTs نقية. وتحتوي SWNTs كما نمت على العديد من الشوائب، مثل الجسيمات المعدنية والكربون غير المتبلور. وتُعد معالجة SWNTs بالموجات فوق الصوتية في محلول بولي(ميثيل ميثاكريلات) PMMA في أحادي كلورو البنزين (MCB)، ثم ترشيحها، طريقة فعالة لتنقية SWNTs. وتتيح طريقة التنقية هذه بمساعدة البوليمر إزالة الشوائب بفعالية من SWNTs كما نمت. (Yudasaka et al.) ويتيح التحكم الدقيق في سعة الموجات فوق الصوتية الحد من الضرر الذي يلحق بـ SWNTs.
توفر Hielscher مجموعة واسعة من أجهزة الموجات فوق الصوتية وملحقاتها لتشتيت الأنابيب النانوية بكفاءة.
- أجهزة مختبرية مدمجة بقدرة تصل إلى 400 واط من قدرة الموجات فوق الصوتية للتشتيت في أحجام أصغر تصل إلى 2 لتر
- UIP500hdT, UIP1000hdT و UIP1500hdT هي أجهزة معالجة بالموجات فوق الصوتية يمكنها معالجة أحجام أكبر.
- يمكن استخدام أنظمة الموجات فوق الصوتية بقدرة 2kW (UIP2000hdT) و 4kW (UIP4000hdT) لتشتيت الأنابيب النانوية الكربونية على نطاق الإنتاج. ويمكن استخدام UIP10000 (10 كيلوواط) و UIP16000 (16 كيلوواط) في مجموعات تضم عدة وحدات منفردة لمعالجة الأنابيب النانوية الكربونية على نطاق واسع.”
اتصلوا بنا! / اسألونا!
المراجع
- Koshio, A., Yudasaka, M., Zhang, M., Iijima, S. (2001): A Simple Way to Chemically React Single-Wall Crabon Nanotubes with Organic Materials Using Ultrasonication; in Nano Letters, Vol. 1, No. 7, 2001, p. 361-363.
- Yudasaka, M., Zhang, M., Jabs, C. et al. (2000): Effect of an organic polymer in purification and cutting of single-wall carbon nanotubes. Appl Phys A 71, 449–451 (2000).
- Paredes, J. I., Burghard, M. (2004): Dispersions of Individual Single-Walled Carbon Nanotubes of High Length, in: Langmuir, Vol. 20, No. 12, 2004, 5149-5152, American Chemical Society.
تصنع Hielscher Ultrasonics مجانسات عالية الأداء بالموجات فوق الصوتية بأحجام تتراوح من الأحجام المختبرية إلى الأحجام الصناعية.