Ksenlərin ultrasəslə eksfoliasiyası

Ksenlər çox böyük səth sahəsi, üstün elektrik keçiriciliyi və ya dartılma möhkəmliyi daxil olmaqla anizotrop fiziki / kimyəvi xassələr kimi qeyri-adi xüsusiyyətlərə malik 2D bir elementli nanomateriallardır. Ultrasəslə eksfoliasiya və ya delaminasiya laylı ilkin materiallardan birlaylı 2D nanotəbəqələr əldə etmək üçün səmərəli və etibarlı üsuldur. Ultrasəslə eksfoliasiya yüksək keyfiyyətli ksen nanotəbəqələrinin sənaye miqyasında istehsalı üçün artıq tətbiq edilən üsuldur.

Ksenlər – Birlaylı nanostrukturlar

Ksenlər qrafenəbənzər quruluşa, laydaxili kovalent rabitəyə və laylar arasında zəif van der Waals qüvvələrinə malik birlaylı (2D), bir elementli nanomateriallardır. Ksenlər sinfinə daxil olan materiallara borofen, silisen, germanen, stanen, fosforen (qara fosfor), arsenen, bismuten, telluren və antimonen misal ola bilər. Birlaylı 2D quruluşlarına görə ksen nanomaterialları çox böyük səth sahəsi, eləcə də daha yüksək kimyəvi və fiziki reaktivliklə səciyyələnir. Bu struktur xüsusiyyətləri ksen nanomateriallarına təsirli fotonik, katalitik, maqnit və elektron xassələr verir və bu nanostrukturları çoxsaylı sənaye tətbiqləri üçün olduqca maraqlı edir. Soldakı şəkildə ultrasəslə eksfoliasiya edilmiş borofenin SEM təsvirləri göstərilir.

Ultrasəslə delaminasiya vasitəsilə ksen nanomateriallarının istehsalı

Laylı nanomaterialların mayedə eksfoliasiyası: Birlaylı 2D nanotəbəqələr laylı quruluşa malik qeyri-üzvi materiallardan (məsələn, qrafitdən) hazırlanır. Bu materiallar müəyyən ionların və/və ya həlledicilərin interkalasiyası zamanı laylararası boşluqları genişlənən və ya şişən, bir-biri üzərinə zəif şəkildə yığılmış əsas laylardan ibarətdir. Laylı fazanın nanotəbəqələrə ayrıldığı eksfoliasiya adətən şişmə ilə müşayiət olunur. Bu, laylar arasındakı elektrostatik cazibə qüvvələrinin sürətlə zəifləməsi ilə əlaqədardır və ayrı-ayrı 2D layların və ya təbəqələrin kolloid dispersiyalarının yaranmasına səbəb olur. (bax: Geng et al, 2013) Ümumiyyətlə, məlumdur ki, şişmə ultrasəs emalı vasitəsilə eksfoliasiyanı asanlaşdırır və mənfi yüklü nanotəbəqələrin yaranması ilə nəticələnir. İlkin kimyəvi emal da həlledicilərdə ultrasəs emalı ilə eksfoliasiyanı asanlaşdırır. Məsələn, funksionallaşdırma laylı ikiqat hidroksidlərin (LDHs) spirtlərdə eksfoliasiyasına imkan verir. (bax: Nicolosi et al., 2013)
Ultrasəslə eksfoliasiya / delaminasiya üçün laylı material həlledicidə güclü ultrasəs dalğalarının təsirinə məruz qoyulur. Yüksək enerji sıxlığına malik ultrasəs dalğaları mayeyə və ya suspenziyaya ötürüldükdə akustik, başqa sözlə, ultrasəs kavitasiyası baş verir. Ultrasəs kavitasiyası vakuum qabarcıqlarının çökməsi ilə səciyyələnir. Ultrasəs dalğaları mayedə yayılaraq növbələşən aşağı təzyiq / yüksək təzyiq dövrləri yaradır. Çox kiçik vakuum qabarcıqları aşağı təzyiq (seyrəkləşmə) dövründə əmələ gəlir və bir neçə aşağı təzyiq / yüksək təzyiq dövrü ərzində böyüyür. Kavitasiya qabarcığı artıq əlavə enerji uda bilmədiyi həddə çatdıqda şiddətlə içəriyə doğru çökür və lokal olaraq çox yüksək enerji sıxlığına malik şərait yaradır. Kavitasiya qaynar nöqtəsi çox yüksək təzyiq və temperatur, müvafiq təzyiq və temperatur fərqləri, yüksək sürətli maye şırnaqları və kəsilmə qüvvələri ilə səciyyələnir. Bu sonomexaniki və sonokimyəvi qüvvələr həlledicini üst-üstə yığılmış layların arasına itələyir, laylı hissəcikli və kristal quruluşları parçalayır və bununla da eksfoliasiya edilmiş nanotəbəqələr yaradır. Aşağıdakı təsvirlər ardıcıllığı ultrasəs kavitasiyası ilə eksfoliasiya prosesini nümayiş etdirir.

Suda qrafit pulcuğunun sonomexaniki eksfoliasiyasını göstərən yüksək sürətli kadrlar ardıcıllığı (a-dan f-ə qədər); istifadə olunan avadanlıq: UP200S, 200W ultrasəs cihazı və 3-mm sonotrod. Oxlar kavitasiya qabarcıqlarının yarığa nüfuz etdiyi ayrılma (eksfoliasiya) yerini göstərir.
© Tyurnina et al. 2020 (CC BY-NC-ND 4.0)

Modelləşdirmə göstərmişdir ki, həlledicinin səth enerjisi laylı materialın səth enerjisinə yaxın olduqda eksfoliasiya edilmiş və yenidən aqreqasiya olunmuş hallar arasındakı enerji fərqi çox kiçik olur və yenidən aqreqasiyanın hərəkətverici qüvvəsi aradan qalxır. Alternativ qarışdırma və kəsilmə üsulları ilə müqayisədə ultrasəs qarışdırıcıları eksfoliasiya üçün daha səmərəli enerji mənbəyi təmin etmişdir. Bunun nəticəsində aşağıdakı materialların ion interkalasiyasının köməyi ilə eksfoliasiyası nümayiş etdirilmişdir: TaS₂, NbS₂ və MoS₂, eləcə də laylı oksidlər. (bax: Nicolosi et al., 2013)

Mayedə ultrasəslə eksfoliasiya edilmiş nanotəbəqələrin TEM təsvirləri: (A) N-metil-pirrolidon həlledicisində ultrasəs emalı ilə eksfoliasiya edilmiş qrafen nanotəbəqəsi. (B) İzopropanol həlledicisində ultrasəs emalı ilə eksfoliasiya edilmiş h-BN nanotəbəqəsi. (C) Səthi aktiv maddənin sulu məhlulunda ultrasəs emalı ilə eksfoliasiya edilmiş MoS2 nanotəbəqəsi.
(Tədqiqat və şəkillər: ©Nicolosi et al., 2013)

Mayedə ultrasəslə eksfoliasiya protokolları

Ksenlərin və digər birlaylı nanomaterialların ultrasəslə eksfoliasiyası və delaminasiyası tədqiqatlarda geniş şəkildə öyrənilmiş və sənaye istehsalı mərhələsinə uğurla keçirilmişdir. Aşağıda ultrasəs emalından istifadə olunan seçilmiş eksfoliasiya protokollarını təqdim edirik.

Fosforen nanopulcuqlarının ultrasəslə eksfoliasiyası

Fosforen (qara fosfor, BP kimi də tanınır) fosfor atomlarından əmələ gələn 2D laylı, bir elementli materialdır.
Passaglia et al. (2018) tədqiqatında MMA mövcudluğunda bP-nin ultrasəs emalının köməyi ilə maye fazada eksfoliasiyası (LPE) və ardınca radikal polimerləşmə vasitəsilə fosforen – metil metakrilatın sabit suspenziyalarının hazırlanması nümayiş etdirilir. Metil metakrilat (MMA) maye monomerdir.

Fosforenin mayedə ultrasəslə eksfoliasiyası üçün protokol

MMA_bPn, NVP_bPn və Sty_bPn suspenziyaları yalnız monomerin mövcudluğunda LPE vasitəsilə əldə edilmişdir. Tipik prosedurda həvəngdə diqqətlə əzilmiş ∼5 mg bP sınaq şüşəsinə yerləşdirilmiş, sonra isə çəkilərək ölçülmüş miqdarda MMA, Sty və ya NVP əlavə edilmişdir. Monomerdəki bP suspenziyası S26d2 sonotrodu (ucunun diametri: 2 mm) ilə təchiz edilmiş Hielscher Ultrasonics UP200St homogenizatoru (200W, 26kHz) vasitəsilə 90 min ultrasəslə emal edilmişdir. Ultrasəs amplitudası P = 7 W olmaqla 50% səviyyəsində sabit saxlanılmışdır. Bütün hallarda istiliyin daha yaxşı uzaqlaşdırılması üçün buz vannasından istifadə edilmişdir. Son MMA_bPn, NVP_bPn və Sty_bPn suspenziyalarına daha sonra 15 min ərzində N2 qazı üfürülmüşdür. Bütün suspenziyalar DLS ilə təhlil edilmiş və rH qiymətlərinin DMSO_bPn suspenziyasının müvafiq qiymətinə çox yaxın olduğu göstərilmişdir. Məsələn, MMA_bPn suspenziyası (təxminən 1% bP tərkibli) rH = 512 ± 58 nm ilə səciyyələnmişdir.
Fosforenlə bağlı digər elmi tədqiqatlarda ultrasəs təmizləyicisi və yüksək qaynama temperaturlu həlledicilərdən istifadə edildiyi, ultrasəs emalının bir neçə saat davam etdiyi və səmərəliliyin aşağı olduğu bildirilir. Passaglia tədqiqat qrupu isə zond tipli ultrasəs cihazından istifadə edərək yüksək səmərəli ultrasəs eksfoliasiyası protokolunu nümayiş etdirir (istifadə olunan cihaz: Hielscher UP200St model ultrasəs cihazı).

Birlaylı nanotəbəqələrin ultrasəslə eksfoliasiyası

Borofen və rutenium oksid nanotəbəqələri haqqında daha ətraflı məlumat və eksfoliasiya protokolları ilə tanış olmaq üçün aşağıdakı keçidlərə daxil olun:
Borofen: Ultrasəs emalı protokolları və borofenin ultrasəslə eksfoliasiyasının nəticələri üçün buraya klikləyin!
RuO2: Ultrasəs emalı protokolları və rutenium oksid nanotəbəqələrinin ultrasəslə eksfoliasiyasının nəticələri üçün buraya klikləyin!

Azlaylı silisium dioksid nanotəbəqələrinin ultrasəslə eksfoliasiyası

Azlaylı eksfoliasiya edilmiş silisium dioksid nanotəbəqələri təbii vermikulitdən (Verm) ultrasəslə eksfoliasiya vasitəsilə hazırlanmışdır. Eksfoliasiya edilmiş silisium dioksid nanotəbəqələrinin sintezi üçün aşağıdakı maye fazada eksfoliasiya üsulu tətbiq edilmişdir: 40 mg silisium dioksid nanotəbəqəsi 40 mL mütləq etanolda dispersləşdirilmişdir. Daha sonra qarışıq 7 mm sonotrodla təchiz edilmiş Hielscher UP200St ultrasəs prosessoru vasitəsilə 2 h ərzində ultrasəslə emal edilmişdir. Ultrasəs dalğasının amplitudası 70% səviyyəsində sabit saxlanılmışdır. Həddindən artıq qızmanın qarşısını almaq üçün buz vannasından istifadə edilmişdir. Eksfoliasiya edilməmiş SN 1000 rpm sürətində 10 min sentrifuqalama ilə uzaqlaşdırılmışdır. Sonda məhsul dekantasiya edilmiş və otaq temperaturunda vakuum altında gecə boyu qurudulmuşdur. (bax: Guo et al., 2022)

Ksen nanotəbəqələrinin eksfoliasiyası üçün yüksək güclü ultrasəs zondları və reaktorları

Hielscher Ultrasonics bütün ölçülərdə möhkəm və etibarlı ultrasəs cihazları layihələndirir, istehsal edir və təchiz edir. Kompakt laboratoriya ultrasəs cihazlarından sənaye ultrasəs zondlarına və reaktorlarına qədər Hielscher prosesiniz üçün ideal ultrasəs sisteminə malikdir. Nanomaterialların sintezi və dispersləşdirilməsi kimi tətbiqlərdə uzunmüddətli təcrübəyə malik yaxşı təlim keçmiş əməkdaşlarımız tələblərinizə ən uyğun qurğunu tövsiyə edəcəklər. Hielscher sənaye ultrasəs prosessorları sənaye müəssisələrində etibarlı və davamlı işləyən qurğular kimi tanınır. Çox yüksək amplitudalar yarada bilən Hielscher ultrasəs cihazları ksenlərin və borofen, fosforen və ya qrafen kimi digər 2D birlaylı nanomaterialların sintezi, eləcə də bu nanostrukturların etibarlı dispersləşdirilməsi kimi yüksək məhsuldarlıq tələb edən tətbiqlər üçün idealdır.
Qeyri-adi dərəcədə güclü ultrasəs: Hielscher Ultrasonics şirkətinin sənaye ultrasəs prosessorları çox yüksək amplitudalar yarada bilir. 200µm-ə qədər amplitudalarda 24/7 rejimində asanlıqla fasiləsiz işləmək mümkündür. Daha da yüksək amplitudalar üçün xüsusi sifarişlə hazırlanmış ultrasəs sonotrodları mövcuddur.
Ən yüksək keyfiyyət – Almaniyada layihələndirilib və istehsal edilib: Bütün avadanlıqlar Almaniyadakı baş qərargahımızda layihələndirilir və istehsal olunur. Müştəriyə çatdırılmazdan əvvəl hər bir ultrasəs cihazı tam yük altında diqqətlə sınaqdan keçirilir. Müştəri məmnuniyyətini təmin etməyə çalışırıq və istehsalımız ən yüksək keyfiyyət təminatı tələblərinə (məsələn, ISO sertifikatlaşdırılması) cavab vermək üçün təşkil edilmişdir.

Aşağıdakı cədvəl ultrasəs cihazlarımızın təxmini emal qabiliyyəti haqqında təsəvvür yaradır: