تشتت الأنابيب النانوية الكربونية بالموجات فوق الصوتية (CNT)

الأنابيب النانوية الكربونية قوية ومرنة ولكنها متماسكة للغاية. يصعب تفريقها إلى سوائل ، مثل الماء أو الإيثانول أو الزيت أو البوليمر أو راتنجات الايبوكسي. الموجات فوق الصوتية هي طريقة فعالة للحصول على منفصلة – مشتت واحد – أنابيب الكربون النانوية.

تستخدم الأنابيب النانوية الكربونية (CNT) في المواد اللاصقة والطلاء والبوليمرات وكمواد حشو موصلة للكهرباء في البلاستيك لتبديد الشحنات الساكنة في المعدات الكهربائية وفي ألواح جسم السيارات القابلة للطلاء الكهروستاتيكي. باستخدام الأنابيب النانوية ، يمكن جعل البوليمرات أكثر مقاومة لدرجات الحرارة والمواد الكيميائية القاسية والبيئات المسببة للتآكل والضغوط الشديدة والتآكل. هناك فئتان من الأنابيب النانوية الكربونية: الأنابيب النانوية أحادية الجدار (SWNT) والأنابيب النانوية متعددة الجدران (MWNT).

تتوفر الأنابيب النانوية الكربونية بشكل عام كمواد جافة ، على سبيل المثال من الشركات ، مثل أبحاث SES أو CNT المحدودة هناك حاجة إلى عملية بسيطة وموثوقة وقابلة للتطوير لإزالة التكتل ، من أجل الاستفادة من الأنابيب النانوية إلى أقصى إمكاناتها. بالنسبة للسوائل التي تصل إلى 100000cP ، تعد الموجات فوق الصوتية تقنية فعالة للغاية لتشتيت الأنابيب النانوية في الماء أو الزيت أو البوليمرات بتركيزات منخفضة أو عالية. تيارات نفاثة سائلة ناتجة عن التجويف بالموجات فوق الصوتية، والتغلب على قوى الترابط بين الأنابيب النانوية، وفصل الأنابيب. بسبب قوى القص المتولدة بالموجات فوق الصوتية والاضطرابات الدقيقة ، يمكن أن تساعد الموجات فوق الصوتية في طلاء السطح والتفاعل الكيميائي للأنابيب النانوية مع مواد أخرى أيضا.

بشكل عام ، يتم خلط تشتت الأنبوب النانوي الخشن أولا بواسطة محرك قياسي ثم يتم تجانسه في مفاعل خلية التدفق بالموجات فوق الصوتية. يظهر الفيديو أدناه تجربة معملية (صوتنة دفعة باستخدام UP400S) تشتيت الأنابيب النانوية الكربونية متعددة الجدران في الماء بتركيز منخفض. بسبب الطبيعة الكيميائية للكربون ، فإن سلوك تشتت الأنابيب النانوية في الماء صعب إلى حد ما. كما هو موضح في الفيديو ، يمكن إثبات ذلك بسهولة أن الموجات فوق الصوتية قادرة على تفريق الأنابيب النانوية بشكل فعال.

تشتت SWNTs الفردية ذات الطول العالي

تتمثل المشكلة الرئيسية لمعالجة ومعالجة SWNTs في عدم قابلية ذوبان الأنابيب في المذيبات العضوية الشائعة والمياه. يؤدي تشغيل الجدار الجانبي للأنبوب النانوي أو الأطراف المفتوحة لإنشاء واجهة مناسبة بين SWNTs والمذيب في الغالب إلى تقشير جزئي لحبال SWNT فقط.
نتيجة لذلك ، عادة ما يتم تشتيت SWNTs كحزم بدلا من كائنات فردية معزولة تماما. عندما يتم استخدام ظروف قاسية للغاية أثناء التشتت ، يتم تقصير SWNTs إلى أطوال تتراوح بين 80 و 200 نانومتر. على الرغم من أن هذا مفيد لبعض الاختبارات ، إلا أن هذا الطول صغير جدا بالنسبة لمعظم التطبيقات العملية ، مثل SWNTs شبه الموصلة أو المعززة. العلاج بالموجات فوق الصوتية الخفيف الخاضع للرقابة (على سبيل المثال عن طريق UP200Ht مع سونوترودي 40 مم) هو إجراء فعال لإعداد التشتتات المائية ل SWNTs الفردية الطويلة. تسلسل الموجات فوق الصوتية الخفيفة يقلل من تقصير ويسمح بالحفاظ على أقصى قدر من الخصائص الهيكلية والإلكترونية.

تنقية SWNT بواسطة الموجات فوق الصوتية بمساعدة البوليمر

من الصعب دراسة التعديل الكيميائي ل SWNTs على المستوى الجزيئي ، لأنه من الصعب الحصول على SWNTs النقية. تحتوي SWNTs المزروعة على العديد من الشوائب ، مثل الجسيمات المعدنية والكربون غير المتبلور. الموجات فوق الصوتية من SWNTs في محلول أحادي كلورو البنزين (MCB) من بولي (ميثيل ميثاكريلات) PMMA تليها الترشيح هو وسيلة فعالة لتنقية SWNTs. تسمح طريقة التنقية بمساعدة البوليمر هذه بإزالة الشوائب من SWNTs المزروعة بشكل فعال. (يوداساكا وآخرون.) يسمح التحكم الدقيق في سعة الموجات فوق الصوتية بالحد من الأضرار التي لحقت SWNTs.

هيلشرز مجموعة واسعة من أجهزة الموجات فوق الصوتية وملحقات التشتت الفعال للأنابيب النانوية.

• أجهزة المختبر المدمجة من يصل إلى 400 واط قوة الموجات فوق الصوتية للتشتت إلى أحجام أصغر تصل إلى 2 لتر
• UIP500hdT, UIP1000hdT و UIP1500hdT هي معالجات بالموجات فوق الصوتية يمكنها معالجة كميات أكبر.
• أنظمة الموجات فوق الصوتية من 2 كيلوواط (UIP2000hdT) و 4 كيلو واط (UIP4000hdT) يمكن استخدامها لتشتيت نطاق إنتاج الأنابيب النانوية الكربونية. ال UIP10000 (10 كيلووات) و UIP16000 (16 كيلووات) يمكن استخدامها في مجموعات من عدة وحدات فردية لمعالجة الأنابيب النانوية الكربونية على نطاق واسع.”

أدب

• 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.