إنتاج الغرافين بالموجات فوق الصوتية

يُعدّ تخليق الغرافين بالموجات فوق الصوتية عبر تقشير الغرافيت الطريقة الأكثر موثوقية وفائدة لإنتاج صفائح غرافين عالية الجودة على النطاق الصناعي. يمكن التحكم بدقة في معالجات Hielscher عالية الأداء بالموجات فوق الصوتية، ويمكنها توليد سعات اهتزاز عالية جدًا أثناء التشغيل على مدار 24/7. ويتيح ذلك تحضير كميات كبيرة من الغرافين النقي غير المعدّل بطريقة سهلة تتيح التحكم في الحجم.

تحضير الغرافين بالموجات فوق الصوتية

منذ التعرف على الخصائص الاستثنائية للغرافيت، طُوّرت عدة طرق لتحضيره. ومن بينها الإنتاج الكيميائي للغرافين من أكسيد الغرافين عبر عمليات متعددة الخطوات، تتطلب عوامل مؤكسدة ومختزلة شديدة القوة. إضافة إلى ذلك، غالبًا ما يحتوي الغرافين المحضّر في هذه الظروف الكيميائية القاسية على عدد كبير من العيوب، حتى بعد الاختزال، مقارنة بالغرافين الناتج عن طرق أخرى. ومع ذلك، تُعدّ الموجات فوق الصوتية بديلًا مثبتًا لإنتاج غرافين عالي الجودة، وبكميات كبيرة أيضًا. وقد طوّر الباحثون طرقًا مختلفة قليلًا باستخدام الموجات فوق الصوتية، لكن إنتاج الغرافين عمومًا عملية بسيطة ذات خطوة واحدة.

تقشير الغرافين بالموجات فوق الصوتية في الماء

تتابع عالي السرعة من الإطارات (من a إلى f) يوضح التقشير الميكانيكي الصوتي لرقيقة غرافيت في الماء باستخدام UP200S، وهو جهاز معالجة بالموجات فوق الصوتية بقدرة 200W مزوّد بسونوترود مقاس 3-mm. تُظهر الأسهم موضع الانشقاق (التقشير)، مع اختراق فقاعات التجويف للشق.
(الدراسة والصور: © Tyurnina et al. 2020

UIP2000hdT – جهاز معالجة بالموجات فوق الصوتية بقدرة 2kW لمعالجة السوائل.

UIP2000hdT – جهاز معالجة قوي بالموجات فوق الصوتية بقدرة 2kW لتقشير الغرافين

مزايا تقشير الغرافين بالموجات فوق الصوتية

تحوّل أجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية من نوع المسبار والمفاعلات من Hielscher تقشير الغرافين إلى عملية عالية الكفاءة تُستخدم لإنتاج الغرافين من الغرافيت بتطبيق موجات فوق صوتية قوية. وتوفر هذه التقنية عدة مزايا مقارنة بطرق إنتاج الغرافين الأخرى. ومن أبرز فوائد تقشير الغرافين بالموجات فوق الصوتية ما يلي:

كفاءة عالية: يُعدّ تقشير الغرافين بالمعالجة بالموجات فوق الصوتية باستخدام مسبار طريقة عالية الكفاءة لإنتاج الغرافين. ويمكنها إنتاج كميات كبيرة من الغرافين عالي الجودة خلال فترة زمنية قصيرة.
تكلفة منخفضة: تُعدّ المعدات اللازمة للتقشير بالموجات فوق الصوتية في إنتاج الغرافين الصناعي منخفضة التكلفة نسبيًا مقارنة بطرق إنتاج الغرافين الأخرى، مثل الترسيب الكيميائي من البخار (CVD) والتقشير الميكانيكي.
قابلية توسيع النطاق: يمكن بسهولة توسيع نطاق تقشير الغرافين باستخدام جهاز معالجة بالموجات فوق الصوتية لإنتاج الغرافين على نطاق واسع. ويمكن إجراء تقشير الغرافين وتشتيته بالموجات فوق الصوتية على دفعات، وكذلك في عملية مستمرة ضمن خط الإنتاج. وهذا يجعله خيارًا عمليًا للتطبيقات على النطاق الصناعي.
التحكم في خصائص الغرافين: يتيح تقشير الغرافين وفصل طبقاته بالمعالجة بالموجات فوق الصوتية باستخدام مسبار التحكم الدقيق في خصائص الغرافين الناتج. ويشمل ذلك حجمه وسماكته وعدد طبقاته.
أثر بيئي ضئيل: يُعدّ تقشير الغرافين باستخدام مسبار بالموجات فوق الصوتية طريقة خضراء لإنتاج الغرافين، إذ يمكن استخدامه مع مذيبات غير سامة وغير ضارة بالبيئة، مثل الماء أو الإيثانول. وهذا يعني أن فصل طبقات الغرافين بالموجات فوق الصوتية يتيح تجنّب استخدام المواد الكيميائية القاسية أو درجات الحرارة المرتفعة أو تقليل استخدامها. وهذا يجعله بديلًا صديقًا للبيئة لطرق إنتاج الغرافين الأخرى.

عمومًا، يوفر تقشير الغرافين باستخدام أجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية من نوع المسبار والمفاعلات من Hielscher طريقة فعالة من حيث التكلفة وقابلة لتوسيع النطاق وصديقة للبيئة لإنتاج الغرافين، مع التحكم الدقيق في خصائص المادة الناتجة.

مثال على الإنتاج البسيط للغرافين باستخدام المعالجة بالموجات فوق الصوتية

يُضاف الغرافيت إلى مزيج من حمض عضوي مخفف وكحول وماء، ثم يُعرّض المزيج للإشعاع بالموجات فوق الصوتية. ويعمل الحمض بوصفه «إسفينًا جزيئيًا» يفصل صفائح الغرافين عن الغرافيت الأصلي. وبهذه العملية البسيطة، تُنتَج كمية كبيرة من الغرافين عالي الجودة غير المتضرر والمشتت في الماء. (An et al. 2010)

يوضح الفيديو خلط الغرافيت وتشتيته بالموجات فوق الصوتية في 250mL من راتنج الإيبوكسي Toolcraft L، باستخدام مجانس بالموجات فوق الصوتية من Hielscher Ultrasonics، وهو UP400St. تصنع Hielscher Ultrasonics معدات لتشتيت الغرافيت والغرافين والأنابيب النانوية الكربونية والأسلاك النانوية أو الحشوات في المختبر أو في عمليات الإنتاج بكميات كبيرة. وتشمل التطبيقات المعتادة تشتيت المواد النانوية والمواد الميكرونية أثناء عملية التعديل الوظيفي، أو تشتيتها في الراتنجات أو البوليمرات.

تُنتَج صفيحات غرافين نانوية متراصة قليلة الطبقات وخالية من العيوب عبر المعالجة بالموجات فوق الصوتية

صور بالمجهر الإلكتروني النافذ عالي الدقة لصفائح الغرافين النانوية الناتجة
عن التشتيت في الطور المائي بمساعدة الموجات فوق الصوتية وطريقة Hummer.
(الدراسة والرسم: Ghanem and Rehim, 2018)

لمعرفة المزيد عن تخليق الغرافين وتشتيته وتعديل مجموعاته الوظيفية بالموجات فوق الصوتية، يُرجى النقر هنا:

التقشير المباشر للغرافين

تتيح الموجات فوق الصوتية تحضير الغرافين في مذيبات عضوية أو محاليل مواد خافضة للتوتر السطحي/ماء أو سوائل أيونية. وهذا يعني إمكانية تجنّب استخدام عوامل مؤكسدة أو مختزلة قوية. وقد أنتج Stankovich et al. (2007) الغرافين بالتقشير أثناء المعالجة بالموجات فوق الصوتية.
أظهرت صور مجهر القوة الذرية (AFM) لأكسيد الغرافين المقشّر بالمعالجة بالموجات فوق الصوتية بتركيزات 1 mg/mL في الماء، دائمًا، وجود صفائح ذات سماكة موحّدة (~1 nm؛ يظهر مثال في الصورة أدناه). ولم تحتوِ عينات أكسيد الغرافين هذه، المقشّرة جيدًا، على أي صفائح أكثر سماكة أو أقل سماكة من 1nm، مما أدى إلى الاستنتاج بأن التقشير الكامل لأكسيد الغرافين وصولًا إلى صفائح منفردة من أكسيد الغرافين قد تحقق بالفعل في هذه الظروف. (Stankovich et al. 2007)

مسابير Hielscher عالية القدرة بالموجات فوق الصوتية ومفاعلاتها هي الأداة المثالية لتحضير الغرافين – سواء على النطاق المختبري أو في تدفقات العمليات التجارية الكاملة

صورة بمجهر القوة الذرية (AFM) لصفائح GO المقشّرة، مع ثلاثة مقاطع للارتفاع مسجّلة في مواضع مختلفة
(الصورة والدراسة: ©Stankovich et al., 2007)

تحضير صفائح الغرافين

أظهر Stengl et al. نجاح تحضير صفائح غرافين نقية بكميات كبيرة أثناء إنتاج مركّب نانوي غير متكافئ ستوكيومتريًا من TiO2 والغرافين، بواسطة التحلل المائي الحراري لمعلّق يحتوي على صفائح الغرافين النانوية ومعقّد بيروكسو التيتانيا. وقد أُنتجت صفائح الغرافين النانوية النقية من الغرافيت الطبيعي باستخدام حقل تجويف عالي الشدة يولّده معالج Hielscher بالموجات فوق الصوتية UIP1000hd في مفاعل مضغوط بالموجات فوق الصوتية عند 5 bar. ويمكن استخدام صفائح الغرافين الناتجة، ذات المساحة السطحية النوعية العالية والخصائص الإلكترونية الفريدة، بوصفها دعامة جيدة لـ TiO2 لتعزيز النشاط التحفيزي الضوئي. وتذكر مجموعة البحث أن جودة الغرافين المحضّر بالموجات فوق الصوتية أعلى بكثير من جودة الغرافين الناتج بطريقة Hummer، التي يُقشَّر فيها الغرافيت ويُؤكسد. وبما أن الظروف الفيزيائية في المفاعل بالموجات فوق الصوتية قابلة للتحكم الدقيق، وبافتراض أن تركيز الغرافين بوصفه مادة إشابة سيتراوح ضمن نطاق 1 – 0.001%، فمن السهل إنشاء نظام مستمر لإنتاج الغرافين على النطاق التجاري. وتتوفر بسهولة أجهزة معالجة صناعية بالموجات فوق الصوتية ومفاعلات ضمن خط الإنتاج لتقشير الغرافين عالي الجودة بكفاءة.

مفاعل بالموجات فوق الصوتية لتقشير الغرافين وتشتيته.

التحضير بالمعالجة بالموجات فوق الصوتية لأكسيد الغرافين

عرض Oh et al. (2010) مسارًا للتحضير باستخدام الإشعاع بالموجات فوق الصوتية لإنتاج طبقات أكسيد الغرافين (GO). ولهذا الغرض، علّقوا خمسة وعشرين مليغرامًا من مسحوق أكسيد الغرافين في 200 ml من الماء منزوع الأيونات. وبالتحريك، حصلوا على معلّق بني غير متجانس. وخضعت المعلّقات الناتجة للمعالجة بالموجات فوق الصوتية (30 min, 1.3 × 105J)، وبعد التجفيف (عند 373 K)، أُنتج أكسيد الغرافين المعالج بالموجات فوق الصوتية. وأظهر التحليل الطيفي بالأشعة تحت الحمراء بتحويل فورييه (FTIR) أن المعالجة بالموجات فوق الصوتية لم تغيّر المجموعات الوظيفية لأكسيد الغرافين.

صفائح أكسيد الغرافين النانوية المقشّرة بالموجات فوق الصوتية

صورة بالمجهر الإلكتروني الماسح (SEM) لصفائح الغرافين النانوية النقية غير المعدّلة الناتجة عن المعالجة بالموجات فوق الصوتية (Oh et al., 2010)

التعديل الوظيفي لصفائح الغرافين

يصف Xu and Suslick (2011) طريقة ملائمة ذات خطوة واحدة لتحضير الغرافيت المعدّل وظيفيًا بالبوليسترين. وقد استخدما في دراستهما رقائق الغرافيت والستايرين بوصفهما مادتين خام أساسيتين. وبمعالجة رقائق الغرافيت في الستايرين (وهو مونومر تفاعلي) بالموجات فوق الصوتية، أدى الإشعاع بالموجات فوق الصوتية إلى التقشير الميكانيكي الكيميائي لرقائق الغرافيت وتحويلها إلى صفائح غرافين أحادية الطبقة وقليلة الطبقات. وفي الوقت نفسه، تحقق التعديل الوظيفي لصفائح الغرافين بسلاسل البوليسترين.
ويمكن تنفيذ عملية التعديل الوظيفي نفسها باستخدام مونومرات فينيل أخرى لإنتاج مركّبات قائمة على الغرافين.

توفر أجهزة المعالجة عالية الأداء بالموجات فوق الصوتية تقشيرًا موثوقًا وعالي الكفاءة لصفائح الغرافين النانوية النقية غير المعدّلة في الإنتاج المستمر ضمن خط الإنتاج.

نظام صناعي للموجات فوق الصوتية عالية القدرة لتقشير الغرافين ضمن خطوط الإنتاج الصناعية.

مشتتات الغرافين

تُعدّ درجة تشتيت الغرافين وأكسيد الغرافين بالغة الأهمية للاستفادة من كامل إمكانات الغرافين وخصائصه المميزة. وإذا لم يُشتَّت الغرافين في ظروف مضبوطة، فقد يؤدي تعدد أحجام الجسيمات في مشتت الغرافين إلى سلوك غير متوقع أو غير مثالي عند إدماجه في الأجهزة، لأن خصائص الغرافين تتغير تبعًا لمعاملاته البنيوية. وتُعدّ المعالجة بالموجات فوق الصوتية معالجة مثبتة لإضعاف القوى بين الطبقات، وتتيح التحكم الدقيق في معاملات المعالجة المهمة.
«بالنسبة إلى أكسيد الغرافين (GO)، الذي يُقشَّر عادة إلى صفائح أحادية الطبقة، ينشأ أحد التحديات الرئيسية لتعدد أحجام الجسيمات من الاختلافات في المساحة الجانبية للرقائق. وقد ثبت أنه يمكن تغيير متوسط الحجم الجانبي لـ GO من 400 nm إلى 20 μm بتغيير مادة الغرافيت الأولية وظروف المعالجة بالموجات فوق الصوتية.» (Green et al. 2010)
وقد أثبتت دراسات أخرى متنوعة أن تشتيت الغرافين بالموجات فوق الصوتية ينتج معلّقات غروية دقيقة ومتجانسة. (Liu et al. 2011/ Baby et al. 2011/ Choi et al. 2010)
أظهر Zhang et al. (2010) أن استخدام المعالجة بالموجات فوق الصوتية يتيح الحصول على مشتت غرافين مستقر بتركيز مرتفع يبلغ 1 mg·mL−1 وصفائح غرافين نقية نسبيًا، وأن صفائح الغرافين الناتجة عن التحضير تتمتع بموصلية كهربائية عالية تبلغ 712 S·m⁻¹. وأشارت نتائج فحص أطياف الأشعة تحت الحمراء بتحويل فورييه وأطياف رامان إلى أن طريقة التحضير بالموجات فوق الصوتية تسبب ضررًا أقل للبنى الكيميائية والبلورية للغرافين.

أجهزة معالجة عالية الأداء بالموجات فوق الصوتية لتقشير الغرافين

يتطلب إنتاج صفائح غرافين نانوية عالية الجودة معدات موثوقة وعالية الأداء تعمل بالموجات فوق الصوتية. وتُعدّ سعة الاهتزاز والضغط ودرجة الحرارة معاملات أساسية وحاسمة لقابلية تكرار النتائج وثبات جودة المنتج. ومعالجات Hielscher Ultrasonics بالموجات فوق الصوتية أنظمة قوية وقابلة للتحكم الدقيق، تتيح الضبط الدقيق لمعاملات العملية والإنتاج المستمر لموجات فوق صوتية عالية القدرة. ويمكن لمعالجات Hielscher Ultrasonics الصناعية بالموجات فوق الصوتية توفير سعات اهتزاز عالية جدًا. ويمكن بسهولة تشغيلها باستمرار بسعات اهتزاز تصل إلى 200µm على مدار 24/7. وللحصول على سعات اهتزاز أعلى، تتوفر سونوترودات مخصصة للموجات فوق الصوتية. وتتيح متانة معدات Hielscher بالموجات فوق الصوتية التشغيل على مدار 24/7 في التطبيقات الشاقة والبيئات الصعبة.
يشعر عملاؤنا بالرضا عن المتانة والموثوقية الاستثنائيتين لأنظمة Hielscher Ultrasonics. ويضمن تركيبها في مجالات التطبيقات الشاقة والبيئات الصعبة وتشغيلها على مدار 24/7 معالجة فعالة واقتصادية. ويقلّل تكثيف العمليات بالموجات فوق الصوتية زمن المعالجة ويحقق نتائج أفضل، أي جودة أعلى ومردودًا أعلى ومنتجات مبتكرة.
يمنحك الجدول أدناه مؤشرًا على سعة المعالجة التقريبية لأجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية لدينا:

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
n.a.	10 إلى 100L/min	UIP16000
n.a.	أكبر	مجموعة من أجهزة UIP16000

اتصل بنا! / اسألنا!

تحضير اللفائف الكربونية النانوية

تشبه اللفائف الكربونية النانوية الأنابيب الكربونية النانوية متعددة الجدران. وتختلف عن MWCNTs في أطرافها المفتوحة وإتاحة وصول الجزيئات الأخرى بالكامل إلى أسطحها الداخلية. ويمكن تخليقها بالكيمياء الرطبة عبر إقحام البوتاسيوم بين طبقات الغرافيت، ثم التقشير في الماء ومعالجة المعلّق الغروي بالموجات فوق الصوتية. (راجع Viculis et al. 2003) وتساعد المعالجة بالموجات فوق الصوتية على التفاف طبقات الغرافين الأحادية لتشكيل لفائف كربونية نانوية (انظر الرسم أدناه). وقد تحققت كفاءة تحويل عالية بلغت 80%، مما يجعل إنتاج اللفائف النانوية محل اهتمام للتطبيقات التجارية.

تخليق اللفائف الكربونية النانوية بمساعدة الموجات فوق الصوتية

تخليق اللفائف الكربونية النانوية بالموجات فوق الصوتية (Viculis et al. 2003)

تحضير الأشرطة النانوية

توصلت المجموعة البحثية التابعة لـ Hongjie Dai وزملائه من جامعة ستانفورد إلى تقنية لتحضير الأشرطة النانوية. وأشرطة الغرافين شرائط رقيقة من الغرافين قد تتمتع بخصائص أكثر فائدة من صفائح الغرافين. وعند عروض تبلغ نحو 10 nm أو أقل، يصبح سلوك أشرطة الغرافين مشابهًا لسلوك أشباه الموصلات، إذ تُجبر الإلكترونات على التحرك في الاتجاه الطولي. لذلك، قد يكون استخدام الأشرطة النانوية ذات الوظائف المشابهة لأشباه الموصلات في الإلكترونيات محل اهتمام (مثلًا لإنتاج رقائق حاسوبية أصغر وأسرع).
يعتمد تحضير أشرطة الغرافين النانوية لدى Dai et al. على خطوتين: أولًا، أرخَوا طبقات الغرافين في الغرافيت بمعالجة حرارية عند 1000ºC لمدة دقيقة واحدة في مزيج من 3% من الهيدروجين في غاز الأرجون. ثم قُسّم الغرافين إلى أشرطة باستخدام المعالجة بالموجات فوق الصوتية. وتتميز الأشرطة النانوية الناتجة بهذه التقنية بحواف أكثر «نعومة» بكثير من تلك المصنّعة بوسائل الطباعة الحجرية التقليدية. (Jiao et al. 2009)

نزّل المقال الكامل بصيغة PDF هنا:
إنتاج الغرافين بمساعدة الموجات فوق الصوتية

موضوعات ذات صلة

حقائق جديرة بالمعرفة

ما الغرافين؟

يتكوّن الغرافيت من صفائح ثنائية الأبعاد من ذرات كربون مهجّنة من نوع sp2 ومرتبة ترتيبًا سداسيًا – وهي الغرافين – تتراص بانتظام. وتتميز صفائح الغرافين ذات السماكة الذرية، التي تكوّن الغرافيت عبر تفاعلات غير ترابطية، بمساحة سطحية كبيرة للغاية. ويُظهر الغرافين قوة وصلابة استثنائيتين على امتداد مستوياته القاعدية، تصلان عند نحو 1020 GPa إلى قيمة تقارب قوة الألماس.
الغرافين هو العنصر البنيوي الأساسي لبعض المتآصلات، التي تشمل، إلى جانب الغرافيت، الأنابيب الكربونية النانوية والفوليرينات. وعند استخدامه مادة مضافة، يمكن للغرافين أن يعزز بدرجة كبيرة الخصائص الكهربائية والفيزيائية والميكانيكية وخصائص الحاجز للمركّبات البوليمرية عند نسب إضافة منخفضة للغاية. (Xu, Suslick 2011)
بفضل خصائصه، يُعدّ الغرافين مادة فائقة الخصائص، ومن ثم فهو واعد للصناعات التي تنتج المركّبات أو الطلاءات أو الإلكترونيات الدقيقة. ويصف Geim (2009) الغرافين بإيجاز بوصفه مادة فائقة في الفقرة التالية:
«إنه أرق مادة في الكون وأقوى مادة جرى قياسها على الإطلاق. وتُظهر حاملات الشحنة فيه حركية ذاتية هائلة، ولها أصغر كتلة فعالة (تساوي صفرًا)، ويمكنها قطع مسافات بطول ميكرومترات دون تشتت عند درجة حرارة الغرفة. ويمكن للغرافين تحمّل كثافات تيار أعلى من النحاس بمقدار 6 مراتب أسية، ويُظهر موصلية حرارية وجساءة قياسيتين، وهو غير منفذ للغازات ويجمع بين خصائص متعارضة مثل الهشاشة والمطيلية. ويُوصَف انتقال الإلكترونات في الغرافين بمعادلة شبيهة بمعادلة ديراك، تتيح دراسة الظواهر الكمومية النسبية في تجربة على منضدة مختبرية.»
وبفضل هذه الخصائص المادية الاستثنائية، يُعدّ الغرافين من أكثر المواد الواعدة ويقع في بؤرة الاهتمام في أبحاث المواد النانوية.

التطبيقات المحتملة للغرافين

التطبيقات البيولوجية: يرد مثال على تحضير الغرافين بالموجات فوق الصوتية واستخدامه البيولوجي في دراسة «تخليق مركّبات الغرافين والذهب النانوية عبر الاختزال الكيميائي الصوتي» التي أجراها Park et al. (2011)، حيث خُلّق مركّب نانوي من أكسيد الغرافين المختزل وجسيمات الذهب (Au) النانوية، من خلال اختزال أيونات الذهب وترسيب جسيمات الذهب النانوية على سطح أكسيد الغرافين المختزل بالتزامن. ولتيسير اختزال أيونات الذهب وتوليد مجموعات وظيفية أكسجينية لتثبيت جسيمات الذهب النانوية على أكسيد الغرافين المختزل، عُرّض مزيج المتفاعلات للإشعاع بالموجات فوق الصوتية. ويُظهر إنتاج جزيئات حيوية معدّلة بببتيدات رابطة للذهب إمكانات تعريض الغرافين ومركّباته للإشعاع بالموجات فوق الصوتية. ومن ثم، تبدو الموجات فوق الصوتية أداة مناسبة لتحضير جزيئات حيوية أخرى.
الإلكترونيات: الغرافين مادة ذات كفاءة وظيفية عالية لقطاع الإلكترونيات. وبفضل الحركية العالية لحاملات الشحنة داخل شبكة الغرافين، يحظى الغرافين باهتمام كبير لتطوير مكوّنات إلكترونية سريعة في تقنيات الترددات العالية.
المستشعرات: يمكن استخدام الغرافين المقشّر بالموجات فوق الصوتية لإنتاج مستشعرات قياس الموصلية عالية الحساسية والانتقائية (تتغير مقاومتها سريعًا بمقدار >10 000% في بخار الإيثانول المشبع)، ومكثفات فائقة ذات سعة نوعية مرتفعة للغاية (120 F/g)، وكثافة قدرة (105 kW/kg)، وكثافة طاقة (9.2 Wh/kg). (An et al. 2010)
الكحول: لإنتاج الكحول: قد يكون أحد التطبيقات الجانبية استخدام الغرافين في إنتاج الكحول، إذ يمكن استخدام أغشية الغرافين لتقطير الكحول، وبالتالي زيادة المحتوى الكحولي للمشروبات.
باعتباره أقوى المواد وأكثرها توصيلًا للكهرباء وواحدًا من أخفها وأكثرها مرونة، يُعدّ الغرافين مادة واعدة للخلايا الشمسية والتحفيز وشاشات العرض الشفافة والباعثة للضوء والرنانات الميكانيكية الدقيقة والترانزستورات، وكاثودًا في بطاريات الليثيوم والهواء، وللكواشف الكيميائية فائقة الحساسية والطلاءات الموصلة، وكذلك للاستخدام مادة مضافة في المركّبات.

مبدأ عمل الموجات فوق الصوتية عالية القدرة

عند معالجة السوائل بالموجات فوق الصوتية بشدات عالية، تؤدي 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 يعود بإمكانها عنده امتصاص الطاقة، تنهار بعنف خلال دورة الضغط المرتفع. وتُسمّى هذه الظاهرة التجويف. وأثناء الانهيار الداخلي، تُبلَغ موضعيًا درجات حرارة عالية جدًا (نحو 5,000K) وضغوط عالية جدًا (نحو 2,000atm). كما يؤدي الانهيار الداخلي لفقاعة التجويف إلى نفاثات سائلة بسرعات تصل إلى 280m/s. (Suslick 1998) ويسبب التجويف الناتج عن الموجات فوق الصوتية تأثيرات كيميائية وفيزيائية يمكن توظيفها في العمليات.
توفر الكيمياء الصوتية الناجمة عن التجويف تفاعلًا فريدًا بين الطاقة والمادة، مع بؤر ساخنة داخل الفقاعات تبلغ ~5000 K، وضغوط تبلغ ~1000 bar، ومعدلات تسخين وتبريد تبلغ >1010K s-1؛ وتتيح هذه الظروف الاستثنائية الوصول إلى نطاق من ظروف التفاعل الكيميائي غير المتاح عادة، مما يسمح بتخليق مجموعة واسعة من المواد غير المعتادة ذات البنى النانوية. (Bang 2010)

المصادر / المراجع

FactSheet: Ultrasonic Graphene Exfoliation and Dispersion – Hielscher Ultrasonics – english version
FactSheet: Exfoliación y Dispersión de Grafeno por Ultrasonidos – Hielscher Ultrasonics – spanish version
Adam K. Budniak, Niall A. Killilea, Szymon J. Zelewski, Mykhailo Sytnyk, Yaron Kauffmann, Yaron Amouyal, Robert Kudrawiec, Wolfgang Heiss, Efrat Lifshitz (2020): Exfoliated CrPS4 with Promising Photoconductivity. Small Vol.16, Issue1. January 9, 2020.
Anastasia V. Tyurnina, Iakovos Tzanakis, Justin Morton, Jiawei Mi, Kyriakos Porfyrakis, Barbara M. Maciejewska, Nicole Grobert, Dmitry G. Eskin 2020): Ultrasonic exfoliation of graphene in water: A key parameter study. Carbon, Vol. 168, 2020.
Adam K. Budniak, Niall A. Killilea, Szymon J. Zelewski, Mykhailo Sytnyk, Yaron Kauffmann, Yaron Amouyal, Robert Kudrawiec, Wolfgang Heiss, Efrat Lifshitz (2020): Exfoliated CrPS₄ with Promising Photoconductivity. Small Vol.16, Issue1. January 9, 2020.
Stengl, V.; Popelková, D.; Vlácil, P. (2011): TiO2-Graphene Nanocomposite as High Performance Photocatalysts. In: Journal of Physical Chemistry C 115/2011. pp. 25209-25218.
An, X.; Simmons, T.; Shah, R.; Wolfe, C.; Lewis, K. M.; Washington, M.; Nayak, S. K.; Talapatra, S.; Kar, S. (2010): Stable Aqueous Dispersions of Noncovalently Functionalized Graphene from Graphite and their Multifunctional High-Performance Applications. Nano Letters 10/2010. pp. 4295-4301.
Baby, T. Th.; Ramaprabhu, S. (2011): Enhanced convective heat transfer using graphene dispersed nanofluids. Nanoscale Research Letters 6:289, 2011.
Bang, J. H.; Suslick, K. S. (2010): Applications of Ultrasound to the Synthesis of Nanostructured Materials. Advanced Materials 22/2010. pp. 1039-1059.
Choi, E. Y.; Han, T. H.; Hong, J.; Kim, J. E.; Lee, S. H.; Kim, H. W.; Kim, S. O. (2010): Noncovalent functionalization of graphene with end-functional polymers. Journal of Materials Chemistry 20/ 2010. pp. 1907-1912.
Geim, A. K. (2009): Graphene: Status and Prospects. Science 324/2009. pp. 1530-1534.
Green, A. A.; Hersam, M. C. (2010): Emerging Methods for Producing Monodisperse Graphene Dispersions. Journal of Physical Chemistry Letters 2010. pp. 544-549.
Guo, J.; Zhu, S.; Chen, Z.; Li, Y.; Yu, Z.; Liu, Z.; Liu, Q.; Li, J.; Feng, C.; Zhang, D. (2011): Sonochemical synthesis of TiO2 nanoparticles on graphene for use as photocatalyst
Hasan, K. ul; Sandberg, M. O.; Nur, O.; Willander, M. (2011): Polycation stabilization of graphene suspensions. Nanoscale Research Letters 6:493, 2011.
Liu, X.; Pan, L.; Lv, T.; Zhu, G.; Lu, T.; Sun, Z.; Sun, C. (2011): Microwave-assisted synthesis of TiO2-reduced graphene oxide composites for the photocatalytic reduction of Cr(VI). RSC Advances 2011.
Malig, J.; Englert, J. M.; Hirsch, A.; Guldi, D. M. (2011): Wet Chemistry of Graphene. The Electrochemical Society Interface, Spring 2011. pp. 53-56.
Oh, W. Ch.; Chen, M. L.; Zhang, K.; Zhang, F. J.; Jang, W. K. (2010): The Effect of Thermal and Ultrasonic Treatment on the Formation of Graphene-oxide Nanosheets. Journal of the Korean Physical Society 4/56, 2010. pp. 1097-1102.
Sametband, M.; Shimanovich, U.; Gedanken, A. (2012): Graphene oxide microspheres prepared by a simple, one-step ultrasonication method. New Journal of Chemistry 36/2012. pp. 36-39.
Savoskin, M. V.; Mochalin, V. N.; Yaroshenko, A. P.; Lazareva, N. I.; Konstanitinova, T. E.; Baruskov, I. V.; Prokofiev, I. G. (2007): Carbon nanoscrolls produced from acceptor-type graphite intercalation compounds. Carbon 45/2007. pp. 2797-2800.
Stankovich, S.; Dikin, D. A.; Piner, R. D.; Kohlhaas, K. A.; Kleinhammes, A.; Jia, Y.; Wu, Y.; Nguyen, S. T.; Ruoff, R. S. (2007): Synthesis of graphene-based nanosheets via chemical reduction of exfoliated graphite oxide. Carbon 45/2007. pp. 1558-1565.
Viculis, L. M.; Mack, J. J.; Kaner, R. B. (2003): A Chemical Route To Carbon Nanoscrolls. Science, 299/1361; 2003.
Xu, H.; Suslick, K. S. (2011): Sonochemical Preparation of Functionalized Graphenes. In: Journal of American Chemical Society 133/2011. pp. 9148-9151.
Zhang, W.; He, W.; Jing, X. (2010): Preparation of a Stable Graphene Dispersion with High Concentration by Ultrasound. Journal of Physical Chemistry B 32/114, 2010. pp. 10368-10373.
Jiao, L.; Zhang, L.; Wang, X.; Diankov, G.; Dai, H. (2009): Narrow graphene nanoribbons from carbon nanotubes. Nature 458/ 2009. pp. 877-880.
Park, G.; Lee, K. G.; Lee, S. J.; Park, T. J.; Wi, R.; Kim, D. H. (2011): Synthesis of Graphene-Gold Nanocomposites via Sonochemical Reduction. Journal of Nanoscience and Nanotechnology 7/11, 2011. pp. 6095-6101.
Zhang, R.Q.; De Sakar, A. (2011): Theoretical Studies on Formation, Property Tuning and Adsorption of Graphene Segments. In: M. Sergey (ed.): Physics and Applications of Graphene – Theory. InTech 2011. pp. 3-28.

موجات فوق صوتية عالية الأداء! تغطي مجموعة منتجات Hielscher النطاق الكامل، من جهاز المعالجة المختبري المدمج بالموجات فوق الصوتية، مرورًا بوحدات منضدة المختبر، وصولًا إلى الأنظمة الصناعية الكاملة بالموجات فوق الصوتية.

تصنّع Hielscher Ultrasonics مجانسات عالية الأداء بالموجات فوق الصوتية بأحجام تتراوح من الأحجام المختبرية إلى الأحجام الصناعية.