Grafenske nanopločice sintetizirane i dispergirane sonikacijom pomoću sonde

Grafenske nanopločice (GNP) mogu se sintetizirati i dispergirati visokom efikasnošću i pouzdanošću pomoću sonikatora. Ultrazvučna obrada visokog intenziteta koristi se za eksfolijaciju grafita i dobivanje grafena s malo slojeva, koji se često naziva grafenskim nanopločicama. Sonikacija je također izvrsna u postizanju odlične raspodjele grafenskih nanopločica i u suspenzijama niske i u suspenzijama visoke viskoznosti.

Obrada grafenskih nanopločica – vrhunski rezultati sonikacijom

Za obradu grafenskih nanopločica sonikatori sondnog tipa su najefikasniji, najpouzdaniji i najjednostavniji alat. Budući da se ultrazvučna obrada može primijeniti za sintezu, dispergiranje i funkcionalizaciju grafenskih nanopločica, sonikatori se koriste u brojnim primjenama vezanim za grafen:

• Eksfolijacija i sinteza Sonikatori sondnog tipa koriste se za eksfolijaciju grafita u grafen s malo slojeva ili grafenske nanopločice. Ultrazvučna obrada visokog intenziteta razara međuslojne sile i razlaže grafit na manje, pojedinačne listove grafena.
• Dispergiranje: Postizanje ujednačene disperzije grafenskih nanopločica u tekućem mediju ključno je za sve primjene vezane za grafen. Sonikatori sondnog tipa mogu ravnomjerno rasporediti nanopločice kroz cijelu tekućinu, sprječavajući aglomeraciju i osiguravajući stabilnu suspenziju.
• Funkcionalizacija: Sonikacija olakšava funkcionalizaciju grafenskih nanopločica tako što potiče vezivanje funkcionalnih grupa ili molekula na njihove površine. Ta funkcionalizacija poboljšava njihovu kompatibilnost s određenim polimerima ili materijalima.

Sinteza grafenskih nanopločica sonikacijom

Grafenske nanopločice mogu se sintetizirati ultrazvučno potpomognutom eksfolijacijom grafita. U tu svrhu suspenzija grafita sonicira se pomoću ultrazvučnog homogenizatora sondnog tipa. Ovaj postupak testiran je s vrlo niskim (npr. 4wt% ili manje) do visokih (npr. 10wt% ili više) koncentracijama čvrste tvari.

Ghanem i Rehim (2018) izvještavaju o ultrazvučnoj eksfolijaciji grafita u vodi uz pomoć natrijevog dodecil benzen sulfonata (SDS) radi pripreme dispergiranih grafenskih nanopločica; upotreba sonikatora sondnog tipa UP 100H omogućila je uspješnu pripremu grafena s malo slojeva (>5) bez defekata. Korišten je sljedeći prekursor: reducirane grafenske nanolistove pripremljene su Hummer metodom i obrađene u dva dodatna koraka, oksidacijom grafita nakon koje slijedi redukcija grafen oksida. Time su dobivene dispergirane grafenske nanopločice u vodi metodom disperzije u otapalu (vidi shemu ispod). Slojevi grafita eksfolirani su sonikacijom pomoću sonikatora sondnog tipa UP100H (100 W). 0,25 g SDS-a otopljeno je u 150 mL deionizirane vode, a zatim je dodano 0,5 g grafita. Otopina grafita sonicirana je 12h u ledenoj kupelji, a potom je suspenzija centrifugirana pri 686× g tokom 30 min radi uklanjanja velikih čestica. Talog je odbačen, a supernatant je ponovo centrifugiran tokom 90 min pri 12.600× g. Dobivene dispergirane grafenske nanopločice više su puta temeljito isprane kako bi se uklonio surfaktant. Na kraju je proizvod osušen na 60ºC pod vakuumom.

Slike grafenskih nanolistova dobivene transmisionim elektronskim mikroskopom visoke rezolucije,
pripremljenih ultrazvučno potpomognutom disperzijom u vodenoj fazi i Hummer metodom.
(Studija i grafika: Ghanem i Rehim, 2018)

Koja je razlika između grafenskih listova i nanopločica?

Grafenski listovi i grafenske nanopločice su nanomaterijali sastavljeni od grafena, a to je jedan sloj atoma ugljika raspoređenih u heksagonalnu rešetku. Ponekad se grafenski listovi i grafenske nanopločice koriste kao zamjenjivi pojmovi. Ipak, naučno gledano, postoji nekoliko razlika između ovih grafenskih nanomaterijala: primarna razlika između grafenskih listova i grafenskih nanopločica leži u njihovoj strukturi i debljini. Grafenski listovi sastoje se od jednog sloja atoma ugljika i izuzetno su tanki, dok su grafenske nanopločice deblje i sastavljene od više složenih slojeva grafena. Ove strukturne razlike mogu utjecati na njihova svojstva i prikladnost za određene primjene. Upotreba sonikatora sondnog tipa vrlo je efikasna i djelotvorna tehnika za sintezu, dispergiranje i funkcionalizaciju jednoslojnih grafenskih listova te grafenskih nanopločica složenih od nekoliko slojeva.

Grafika koja prikazuje ultrazvučnu sintezu grafenskih nanopločica pomoću sonikatora UP100H
(Studija i grafika: Ghanem i Rehim, 2018)

Dispergiranje grafenskih nanopločica sonikacijom

Ujednačena disperzija grafenskih nanopločica (GNP) ključna je u raznim primjenama jer direktno utječe na svojstva i performanse nastalih materijala ili proizvoda. Stoga se sonikatori instaliraju za disperzije grafenskih nanopločica u različitim industrijama. Sljedeće industrije su istaknuti primjeri upotrebe snažnog ultrazvuka:

• Nanokompoziti: Grafenske nanopločice mogu se ugraditi u razne nanokompozitne materijale, poput polimera, kako bi se poboljšala njihova mehanička, električna i toplinska svojstva. Sonikatori sondnog tipa pomažu u ravnomjernom dispergiranju nanopločica unutar polimerne matrice, što rezultira poboljšanim performansama materijala.
• Elektrode i baterije: Grafenske nanopločice koriste se u razvoju visokoperformansnih elektroda za baterije i superkondenzatore. Sonikacija pomaže u stvaranju dobro dispergiranih elektrodnih materijala na bazi grafena s povećanom površinom, što poboljšava mogućnosti pohrane energije.
• Kataliza: Sonikacija se može koristiti za pripremu katalitičkih materijala na bazi grafenskih nanopločica. Ujednačena disperzija katalitičkih nanočestica na površini grafena može povećati katalitičku aktivnost u raznim reakcijama.
• Senzori: Grafenske nanopločice mogu se primijeniti u izradi senzora za razne primjene, uključujući detekciju plinova, biosenzoriku i praćenje okoliša. Sonikacija osigurava homogenu raspodjelu nanopločica u senzorskim materijalima, što dovodi do poboljšane osjetljivosti i performansi.
• Premazi i filmovi: Sonikatori sondnog tipa koriste se za pripremu premaza i filmova na bazi grafenskih nanopločica za primjene u elektronici, zrakoplovstvu i zaštitnim premazima. Ujednačena disperzija i pravilna adhezija na podloge ključne su za ove primjene.
• Biomedicinske primjene: U biomedicinskim primjenama grafenske nanopločice mogu se koristiti za isporuku lijekova, snimanje i tkivno inženjerstvo. Sonikacija pomaže u pripremi nanočestica i kompozita na bazi grafena koji se koriste u ovim primjenama.

SEM slike grafenskih nanopločica pri (b) X3000 i (c) X8000
(Studija i slike: ©Alizadeh et al., 2018)

Naučno dokazani rezultati ultrazvučnih disperzija grafenskih nanopločica

Naučnici su u brojnim studijama koristili Hielscher sonikatore za sintezu i dispergiranje grafenskih nanopločica te su temeljito testirali učinke ultrazvučne obrade. U nastavku možete pronaći nekoliko primjera uspješnog miješanja grafenskih nanopločica u različite smjese, kao što su vodene suspenzije, epoksidne smole ili malter.

Uobičajen postupak za pouzdano, brzo i ujednačeno dispergiranje grafenskih nanopločica je sljedeći:
Za dispergiranje, grafenske nanopločice sonicirane su u čistom acetonu pomoću Hielscher ultrazvučnog miksera UP400S gotovo jedan sat kako bi se spriječila aglomeracija grafenskih listova. Aceton je potpuno uklonjen isparavanjem. Zatim su grafenske nanopločice dodane u količini od 1 wt % epoksidnog sistema i sonicirane u epoksidnoj smoli pri 90W tokom 15 minuta.
(usp. Cakir et al., 2016)

Jedna druga studija istražuje ojačanje nanofluida na bazi ionskih tekućina (ionanofluida) dodavanjem grafenskih nanopločica. Za vrhunsko dispergiranje, smjesa grafenskih nanopločica, ionske tekućine i natrijevog dodecil benzen sulfonata homogenizirana je pomoću Hielscher sonikatora sondnog tipa UP200S oko 90 min.
(usp. Alizadeh et al., 2018)

Tragazikis et al. (2019) izvještavaju o efikasnom ugrađivanju grafenskih nanopločica u malter. U tu svrhu proizvedene su vodene suspenzije grafena dodavanjem nanopločica – u masama određenim željenim ciljnim sadržajima u dobivenim materijalima – u smjese obične vode iz slavine i plastifikatora, uz naknadno magnetno miješanje tokom 2 min. Suspenzije su homogenizirane ultrazvučnom obradom tokom 90 min na sobnoj temperaturi, pomoću uređaja Hielscher UP400S (Hielscher Ultrasonics GmbH) opremljenog sonotrodom od 22mm koja isporučuje snagu od 4500 J/min pri frekvenciji od 24 kHz. Specifična kombinacija brzine energije i trajanja sonikacije utvrđena je kao optimalna nakon pažljivog istraživanja utjecaja parametara ultrazvučne obrade na kvalitet suspenzije.
(usp. Tragazikis et al., 2019)

Zainal et al. (2018) u svom istraživanju navode da pravilna tehnika dispergiranja, kao što je sonikacija, osigurava da nanomaterijali poput grafenskih nanopločica mogu poboljšati svojstva materijala za ispunu. To je zato što je dispergiranje jedan od najvažnijih faktora za proizvodnju visokokvalitetnih nanokompozita kao što je epoksidna fugirna masa.

Visokoperformansni sonikatori za obradu grafenskih nanopločica

Hielscher Ultrasonics je lider na tržištu kada su u pitanju visokoperformansni ultrazvučni uređaji za obradu nanomaterijala. Hielscher sonikatori sondnog tipa koriste se širom svijeta u laboratorijama i industrijskim okruženjima za razne primjene, uključujući obradu grafenskih nanopločica.
Najsavremenija tehnologija, njemačka vještina izrade i inženjering, kao i dugogodišnje tehničko iskustvo čine Hielscher Ultrasonics vašim preferiranim partnerom za uspješnu primjenu ultrazvuka.

Dizajn, proizvodnja i savjetovanje – kvalitet proizveden u Njemačkoj

Hielscher ultrazvučni uređaji poznati su po svojim najvišim standardima kvaliteta i dizajna. Robusnost i jednostavno rukovanje omogućavaju nesmetanu integraciju naših ultrazvučnih uređaja u industrijska postrojenja. Hielscher ultrazvučni uređaji lako se nose s teškim uvjetima i zahtjevnim okruženjima.

Hielscher Ultrasonics je ISO certificirana kompanija i poseban naglasak stavlja na visokoperformansne ultrazvučne uređaje koji odlikuju najsavremenija tehnologija i jednostavnost korištenja. Naravno, Hielscher ultrazvučni uređaji usklađeni su s CE oznakom i ispunjavaju zahtjeve UL, CSA i RoHs.

Tabela ispod daje vam okvirnu naznaku kapaciteta obrade naših ultrazvučnih uređaja: