تقشير مواد Xenes بالموجات فوق الصوتية

مواد Xenes هي مواد نانوية أحادية العنصر ثنائية الأبعاد (2D) تتمتع بخصائص استثنائية، مثل مساحة سطحية كبيرة جدًا وخصائص فيزيائية / كيميائية متباينة الخواص، بما في ذلك موصلية كهربائية فائقة أو مقاومة شد فائقة. يُعد التقشير أو فصل الطبقات بالموجات فوق الصوتية تقنية فعالة وموثوقة لإنتاج صفائح نانوية ثنائية الأبعاد (2D) أحادية الطبقة من مواد أولية ذات بنية طبقية. وقد أصبح التقشير بالموجات فوق الصوتية تقنية راسخة لإنتاج صفائح Xenes النانوية عالية الجودة على النطاق الصناعي.

مواد Xenes – بنى نانوية أحادية الطبقة

مواد Xenes هي مواد نانوية أحادية العنصر وأحادية الطبقة (2D)، تتميز ببنية شبيهة بالغرافين، وروابط تساهمية داخل الطبقة، وقوى فان دير فالس ضعيفة بين الطبقات. ومن أمثلة المواد التي تنتمي إلى فئة Xenes البوروفين والسيليسين والجرمانين والستانين والفوسفورين (الفوسفور الأسود) والأرسينين والبزموتين والتيلورين والأنتيمونين. وبفضل بنيتها ثنائية الأبعاد (2D) أحادية الطبقة، تتميز مواد Xenes النانوية بسطح كبير جدًا، فضلًا عن تحسن قابليتها للتفاعل الكيميائي والفيزيائي. وتمنح هذه الخصائص البنيوية مواد Xenes النانوية خصائص فوتونية وتحفيزية ومغناطيسية وإلكترونية مميزة، وتجعل هذه البنى النانوية مثيرة للاهتمام في العديد من التطبيقات الصناعية. تُظهر الصورة إلى اليسار صورًا بالمجهر الإلكتروني الماسح (SEM) لبوروفين مقشَّر بالموجات فوق الصوتية.

إنتاج مواد Xenes النانوية باستخدام فصل الطبقات بالموجات فوق الصوتية

التقشير السائل للمواد النانوية الطبقية: تُنتَج الصفائح النانوية ثنائية الأبعاد (2D) أحادية الطبقة من مواد غير عضوية ذات بنى طبقية (مثل الغرافيت)، تتكون من طبقات مضيفة متراصة بشكل غير محكم، وتُظهر تمددًا أو انتفاخًا في الفراغات بين الطبقات عند إقحام أيونات و/أو مذيبات معينة بينها. عادةً ما يصاحب الانتفاخَ تقشيرٌ تنقسم فيه المرحلة الطبقية إلى صفائح نانوية، نتيجة الضعف السريع في قوى التجاذب الكهروستاتيكي بين الطبقات، مما ينتج مشتتات غروية من الطبقات أو الصفائح الفردية ثنائية الأبعاد (2D). (راجع Geng et al, 2013) ومن المعروف عمومًا أن الانتفاخ يسهّل التقشير بالمعالجة بالموجات فوق الصوتية وينتج صفائح نانوية سالبة الشحنة. كما تسهّل المعالجة الكيميائية المسبقة التقشير بواسطة المعالجة بالموجات فوق الصوتية في المذيبات. فعلى سبيل المثال، تتيح إضافة مجموعات وظيفية تقشير الهيدروكسيدات المزدوجة الطبقية (LDHs) في الكحولات. (راجع Nicolosi et al., 2013)
لإجراء التقشير / فصل الطبقات بالموجات فوق الصوتية، تُعرَّض المادة الطبقية لموجات فوق صوتية قوية في مذيب. وعند اقتران موجات فوق صوتية كثيفة الطاقة بسائل أو معلّق كثيف، يحدث التجويف الصوتي، المعروف أيضًا بالتجويف فوق الصوتي. ويتميز التجويف فوق الصوتي بانهيار فقاعات الفراغ. تنتقل الموجات فوق الصوتية عبر السائل وتولد دورات متناوبة من الضغط المنخفض / الضغط المرتفع. وتنشأ فقاعات الفراغ الدقيقة خلال دورة الضغط المنخفض (التخلخل)، وتنمو عبر عدة دورات من الضغط المنخفض / الضغط المرتفع. وعندما تصل فقاعة التجويف إلى نقطة لا تستطيع عندها امتصاص المزيد من الطاقة، تنهار إلى الداخل بعنف وتُنشئ موضعيًا ظروفًا شديدة الكثافة الطاقية. وتتميز البؤرة الساخنة الناتجة عن التجويف بضغوط ودرجات حرارة مرتفعة جدًا، وفروق كبيرة في الضغط ودرجة الحرارة، ونفاثات سائلة عالية السرعة، وقوى قص. وتدفع هذه القوى الميكانيكية الصوتية والكيميائية الصوتية المذيبَ بين الطبقات المتراصة، وتفكك البنى الجسيمية والبلورية الطبقية، فتنتج صفائح نانوية مقشَّرة. ويوضح تسلسل الصور أدناه عملية التقشير بواسطة التجويف فوق الصوتي.

تسلسل عالي السرعة من الإطارات (من a إلى f) يوضح التقشير الميكانيكي الصوتي لرقيقة من الغرافيت في الماء باستخدام UP200S، وهو جهاز معالجة بالموجات فوق الصوتية بقدرة 200W مزود بسونوترود مقاس 3-mm. تشير الأسهم إلى موضع الانشقاق (التقشير)، مع اختراق فقاعات التجويف للشق.
© Tyurnina et al. 2020 (CC BY-NC-ND 4.0)

أظهرت النمذجة أنه إذا كانت الطاقة السطحية للمذيب مماثلة للطاقة السطحية للمادة الطبقية، فإن فرق الطاقة بين الحالة المقشَّرة وحالة إعادة التجمع سيكون صغيرًا جدًا، مما يزيل القوة الدافعة لإعادة التجمع. وبالمقارنة مع طرق التحريك والقص البديلة، وفرت أدوات التحريك بالموجات فوق الصوتية مصدر طاقة أكثر فعالية للتقشير، مما أتاح إثبات التقشير بمساعدة إقحام الأيونات لمركبات TaS₂، NbS₂، وMoS₂، وكذلك الأكاسيد الطبقية. (راجع Nicolosi et al., 2013)

صور بالمجهر الإلكتروني النافذ (TEM) لصفائح نانوية مقشَّرة في سائل بالموجات فوق الصوتية: (A) صفيحة غرافين نانوية مقشَّرة بواسطة المعالجة بالموجات فوق الصوتية في مذيب N-ميثيل-بيروليدون. (B) صفيحة h-BN نانوية مقشَّرة بواسطة المعالجة بالموجات فوق الصوتية في مذيب الأيزوبروبانول. (C) صفيحة MoS2 نانوية مقشَّرة بواسطة المعالجة بالموجات فوق الصوتية في محلول مائي لمادة خافضة للتوتر السطحي.
(الدراسة والصور: ©Nicolosi et al., 2013)

بروتوكولات التقشير السائل بالموجات فوق الصوتية

دُرست عمليات تقشير مواد Xenes وغيرها من المواد النانوية أحادية الطبقة وفصل طبقاتها بالموجات فوق الصوتية على نطاق واسع في الأبحاث، ونُقلت بنجاح إلى مرحلة الإنتاج الصناعي. وفيما يلي نقدم بروتوكولات مختارة للتقشير باستخدام المعالجة بالموجات فوق الصوتية.

تقشير رقائق الفوسفورين النانوية بالموجات فوق الصوتية

الفوسفورين (المعروف أيضًا بالفوسفور الأسود، BP) مادة أحادية العنصر ذات بنية طبقية ثنائية الأبعاد (2D)، تتكون من ذرات الفوسفور.
يوضح بحث Passaglia et al. (2018) تحضير معلقات مستقرة من الفوسفورين – ميثيل ميثاكريلات بواسطة التقشير في الطور السائل (LPE) للفوسفور الأسود bP بمساعدة المعالجة بالموجات فوق الصوتية في وجود MMA، تليه البلمرة الجذرية. وميثيل ميثاكريلات (MMA) مونومر سائل.

بروتوكول التقشير السائل للفوسفورين بالموجات فوق الصوتية

حُصل على معلقات MMA_bPn وNVP_bPn وSty_bPn بواسطة LPE في وجود المونومر وحده. وفي إجراء نموذجي، وُضعت كمية ∼5 mg من bP، بعد سحقها بعناية في هاون، في أنبوب اختبار، ثم أُضيفت كمية موزونة من MMA أو Sty أو NVP. وعولج معلق bP في المونومر بالموجات فوق الصوتية لمدة 90 min باستخدام مجانس بالموجات فوق الصوتية UP200St من Hielscher Ultrasonics ‏(200W, 26kHz)، مزود بسونوترود S26d2 (قطر الطرف: 2 mm). وحُفظت سعة الموجات فوق الصوتية ثابتة عند 50% مع P = 7 W. وفي جميع الحالات، استُخدم حمام ثلجي لتحسين تبديد الحرارة. ثم مُرر غاز N2 في المعلقات النهائية MMA_bPn وNVP_bPn وSty_bPn لمدة 15 min. وحُللت جميع المعلقات بواسطة DLS، وأظهرت قيم rH قريبة جدًا من قيمة DMSO_bPn. فعلى سبيل المثال، تميز معلق MMA_bPn (الذي يحتوي على نحو 1% من bP) بقيمة rH = 512 ± 58 nm.
وفي حين تذكر دراسات علمية أخرى عن الفوسفورين أزمنة معالجة بالموجات فوق الصوتية تمتد لعدة ساعات باستخدام منظف بالموجات فوق الصوتية ومذيبات ذات درجات غليان مرتفعة، مع كفاءة منخفضة، يقدم فريق Passaglia بروتوكولًا عالي الكفاءة للتقشير بالموجات فوق الصوتية باستخدام جهاز معالجة بالموجات فوق الصوتية من نوع المسبار (وتحديدًا جهاز المعالجة بالموجات فوق الصوتية من Hielscher طراز UP200St).

تقشير الصفائح النانوية أحادية الطبقة بالموجات فوق الصوتية

للاطلاع على مزيد من التفاصيل المحددة وبروتوكولات تقشير صفائح البوروفين وأكسيد الروثينيوم النانوية، يرجى اتباع الروابط أدناه:
البوروفين: للاطلاع على بروتوكولات المعالجة بالموجات فوق الصوتية ونتائج تقشير البوروفين بالموجات فوق الصوتية، يرجى النقر هنا!
RuO2: للاطلاع على بروتوكولات المعالجة بالموجات فوق الصوتية ونتائج تقشير صفائح أكسيد الروثينيوم النانوية بالموجات فوق الصوتية، يرجى النقر هنا!

تقشير صفائح السيليكا النانوية قليلة الطبقات بالموجات فوق الصوتية

حُضرت صفائح السيليكا النانوية المقشَّرة قليلة الطبقات من الفيرميكوليت الطبيعي (Verm) بواسطة التقشير بالموجات فوق الصوتية. ولتحضير صفائح السيليكا النانوية المقشَّرة، طُبقت طريقة التقشير في الطور السائل التالية: شُتتت كمية 40 mg من صفائح السيليكا النانوية في 40 mL من الإيثانول المطلق. وبعد ذلك، عولج المزيج بالموجات فوق الصوتية لمدة 2 h باستخدام معالج بالموجات فوق الصوتية UP200St من Hielscher، مزود بسونوترود مقاس 7 mm. وحُفظت سعة الموجة فوق الصوتية ثابتة عند 70%. واستُخدم حمام ثلجي لتجنب فرط التسخين. وأُزيلت SN غير المقشَّرة بالطرد المركزي عند 1000 rpm لمدة 10 min. وأخيرًا، فُصل المنتج بالترويق وجُفف في درجة حرارة الغرفة تحت التفريغ طوال الليل. (راجع Guo et al., 2022)

مسابير ومفاعلات موجات فوق صوتية عالية القدرة لتقشير صفائح Xenes النانوية

تصمم Hielscher Ultrasonics أجهزة معالجة بالموجات فوق الصوتية متينة وموثوقة بجميع الأحجام، وتصنعها وتوزعها. فمن الأجهزة المختبرية المدمجة بالموجات فوق الصوتية إلى المسابير والمفاعلات الصناعية بالموجات فوق الصوتية، توفر Hielscher النظام المثالي بالموجات فوق الصوتية لعمليتك. وبفضل خبرتنا الطويلة في تطبيقات مثل تحضير المواد النانوية وتشتيتها، سيوصي موظفونا المدربون جيدًا بالتجهيز الأنسب لمتطلباتك. وتُعرف المعالجات الصناعية بالموجات فوق الصوتية من Hielscher بأنها أجهزة موثوقة تتحمل العمل الشاق في المنشآت الصناعية. وبقدرتها على توفير سعات مرتفعة جدًا، تُعد أجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية من Hielscher مثالية للتطبيقات عالية الأداء، مثل تحضير مواد Xenes وغيرها من المواد النانوية ثنائية الأبعاد (2D) أحادية الطبقة، كالبوروفين أو الفوسفورين أو الغرافين، وكذلك لتشتيت هذه البنى النانوية بشكل موثوق.
موجات فوق صوتية فائقة القوة: تستطيع المعالجات الصناعية بالموجات فوق الصوتية من Hielscher Ultrasonics توفير سعات مرتفعة جدًا. ويمكن بسهولة التشغيل المستمر بسعات تصل إلى 200µm على مدار 24/7. وللحصول على سعات أعلى، تتوفر سونوترودات مخصصة للموجات فوق الصوتية.
أعلى جودة – تصميم وتصنيع في ألمانيا: تُصمم جميع المعدات وتُصنع في مقرنا الرئيسي في ألمانيا. وقبل التسليم إلى العميل، يُختبر كل جهاز بالموجات فوق الصوتية بعناية تحت الحمل الكامل. ونسعى إلى إرضاء العملاء، وقد نُظم إنتاجنا لتلبية أعلى متطلبات ضمان الجودة (مثل شهادة ISO).

يقدم الجدول أدناه مؤشرًا على قدرة المعالجة التقريبية لأجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية لدينا: