Ultrazvučni piling Xenes-a

Kseni su 2D monoelementni nanomaterijali sa izvanrednim svojstvima kao što su veoma velika površina, anizotropna fizička/hemijska svojstva uključujući superiornu električnu provodljivost ili vlačnu čvrstoću. Ultrazvučni piling ili delaminacija je efikasna i pouzdana tehnika za proizvodnju jednoslojnih 2D nano listova od slojevitih prekursorskih materijala. Ultrazvučni piling je već uspostavljen za proizvodnju visokokvalitetnih ksenskih nano listova u industrijskim razmjerima.

Xenes – Jednoslojne nanostrukture

Kseni su jednoslojni (2D), monoelementni nanomaterijali, koji imaju strukturu sličnu grafenu, unutarslojnu kovalentnu vezu i slabe van der Waalsove sile između slojeva. Primeri materijala koji su deo klase ksena su borofen, silicen, germanen, stanen, fosforen (crni fosfor), arsen, bizmuten, teluren i antimonen. Zbog svoje jednoslojne 2D strukture, nanomaterijale ksena karakteriše veoma velika površina, kao i poboljšana hemijska i fizička reaktivnost. Ove strukturne karakteristike daju nanomaterijalima ksena impresivna fotonska, katalitička, magnetska i elektronska svojstva i čine ove nanostrukture veoma interesantnim za brojne industrijske primene. Slika lijevo prikazuje SEM slike ultrazvučnog pilinga borofena.

Proizvodnja Xenes nanomaterijala pomoću ultrazvučnog raslojavanja

Tečni piling slojevitih nanomaterijala: Jednoslojni 2D nano listovi se proizvode od neorganskih materijala sa slojevitim strukturama (npr. grafit) koji se sastoje od labavo naslaganih slojeva domaćina koji pokazuju širenje ili bubrenje galerije od sloja do sloja nakon interkalacije određenih jona i/ili rastvarača. Piling, u kojem se slojevita faza cijepa na nanoploče, obično prati bubrenje zbog brzo oslabljenih elektrostatičkih privlačenja između slojeva koji proizvode koloidne disperzije pojedinačnih 2D slojeva ili listova. (usp. Geng et al, 2013.) Općenito je poznato da oticanje olakšava eksfolijaciju ultrazvukom i rezultira negativno nabijenim nanolistovima. Hemijski predtretman takođe olakšava piling pomoću sonikacije u rastvaračima. Na primjer, funkcionalizacija omogućava ljuštenje slojevitih dvostrukih hidroksida (LDH) u alkoholima. (usp. Nicolosi et al., 2013.)
Za ultrazvučni piling / delaminaciju slojeviti materijal se izlaže snažnim ultrazvučnim talasima u rastvaraču. Kada se ultrazvučni talasi gustoće energije spoje u tečnost ili kašu, dolazi do akustične ili ultrazvučne kavitacije. Ultrazvučnu kavitaciju karakterizira kolaps vakuumskih mjehurića. Ultrazvučni talasi putuju kroz tečnost i stvaraju naizmjenične cikluse niskog / visokog pritiska. Sitni vakuumski mehurići nastaju tokom ciklusa niskog pritiska (razređivanja) i rastu tokom različitih ciklusa niskog pritiska / visokog pritiska. Kada kavitacijski mjehur dostigne tačku u kojoj ne može apsorbirati daljnju energiju, mjehurić implodira nasilno i stvara lokalno vrlo energetski guste uslove. Kavitacijska vruća tačka određena je vrlo visokim pritiscima i temperaturom, odgovarajućim pritiscima i temperaturnim razlikama, brzim mlazovima tekućine i posmičnim silama. Ove sonomehaničke i sonohemijske sile guraju otapalo između naslaganih slojeva i razbijaju slojevite čestične i kristalne strukture, stvarajući tako oljuštene nanoploče. Slijed slika ispod pokazuje proces pilinga ultrazvučnom kavitacijom.

Slijed velike brzine (od a do f) okvira koji ilustrira sono-mehaničko piling grafitne pahuljice u vodi pomoću UP200S, ultrazvučni aparat od 200W sa sonotrodom od 3 mm. Strelice pokazuju mjesto cijepanja (pilinga) sa mjehurićima kavitacije koji prodiru u rascjep.
© Tyurnina et al. 2020. (CC BY-NC-ND 4.0)

Modeliranje je pokazalo da ako je površinska energija otapala slična onoj slojevitog materijala, razlika u energiji između eksfolijiranih i reagregiranih stanja bit će vrlo mala, uklanjajući pokretačku silu za ponovno agregiranje. U poređenju sa alternativnim metodama mešanja i šišanja, ultrazvučne mešalice su obezbedile efikasniji izvor energije za piling, što je dovelo do demonstracije pilinga TaS-a uz pomoć ionske interkalacije.₂, NbS₂i MoS₂, kao i slojeviti oksidi. (usp. Nicolosi et al., 2013.)

TEM slike ultrazvučno tečnih eksfolijiranih nanolistova: (A) Grafenski nanolist eksfolijan uz pomoć sonikacije u rastvaraču N-metil-pirolidonu. (B) h-BN nanolist eksfoliran pomoću sonikacije u rastvaraču izopropanolu. (C) MoS2 nanolist eksfoliran ultrazvučnom obradom u vodenoj otopini surfaktanta.
(Studija i slike: ©Nicolosi et al., 2013.)

Protokoli ultrazvučnog tečnog pilinga

Ultrazvučna eksfolijacija i delaminacija ksena i drugih jednoslojnih nanomaterijala je opsežno proučavana u istraživanju i uspješno je prebačena u fazu industrijske proizvodnje. U nastavku vam predstavljamo odabrane protokole pilinga pomoću ultrazvuka.

Ultrazvučni piling fosforenskih nanopahuljica

Fosforen (također poznat kao crni fosfor, BP) je 2D slojeviti, monoelementarni materijal formiran od atoma fosfora.
U istraživanju Passaglia et al. (2018), prikazano je pripremanje stabilnih suspenzija fosforen - metil metakrilata pomoću ultrazvučnog pilinga tečne faze (LPE) bP u prisustvu MMA nakon čega slijedi radikalna polimerizacija. Metil metakrilat (MMA) je tečni monomer.

Protokol za ultrazvučni tekući piling fosforena

MMA_bPn, NVP_bPn i Sty_bPn suspenzije su dobijene pomoću LPE u prisustvu jedinog monomera. U tipičnom postupku, ∼5 mg bP, pažljivo usitnjenog u malteru, stavljeno je u epruvetu, a zatim je dodana ponderisana količina MMA, Sty ili NVP. Suspenzija monomera bP je ultrazvučna 90 minuta upotrebom Hielscher Ultrasonics homogenizatora UP200St (200W, 26kHz), opremljenog sonotrodom S26d2 (prečnik vrha: 2 mm). Ultrazvučna amplituda je održavana konstantnom na 50% sa P = 7 W. U svim slučajevima, ledena kupka je korištena za poboljšanu disipaciju topline. Konačne suspenzije MMA_bPn, NVP_bPn i Sty_bPn su zatim insuflirane sa N2 tokom 15 minuta. Sve suspenzije su analizirane pomoću DLS-a, pokazujući rH vrijednosti zaista bliske onoj za DMSO_bPn. Na primjer, suspenziju MMA_bPn (sa oko 1% sadržaja bP) karakterizira rH = 512 ± 58 nm.
Dok druge naučne studije o fosforenu pokazuju vreme ultrazvučne obrade od nekoliko sati korišćenjem ultrazvučnog čistača, rastvarača visoke tačke ključanja i niske efikasnosti, istraživački tim iz Passaglie demonstrira visoko efikasan protokol ultrazvučnog pilinga koristeći ultrazvučni aparat tipa sonde (naime Hielscher ultrasonikator model UP200St).

Ultrazvučni piling jednoslojnih nanoplasta

Da biste pročitali konkretnije detalje i protokole pilinga za nano ploče od borafena i rutenijum oksida, slijedite donje veze:
borofen: Za protokole ultrazvučne obrade i rezultate ultrazvučnog pilinga borofenom, kliknite ovdje!
RuO2: Za protokole ultrazvučne obrade i rezultate ultrazvučnog pilinga nanolistova rutenijum oksida, kliknite ovdje!

Ultrazvučni piling nekoliko slojeva silicijum dioksida

Od prirodnog vermikulita (Verm) putem ultrazvučnog pilinga pripremljeni su nekoliko slojeva eksfolijiranih silicijumskih nanoploča. Za sintezu eksfolijiranih nanolistova silicijevog dioksida primijenjena je sljedeća metoda eksfolijacije u tečnoj fazi: 40 mg nanolistova silicijevog dioksida dispergirano je u 40 mL apsolutnog etanola. Nakon toga, smjesa je ultrazvučna 2 h korištenjem Hielscher ultrazvučnog procesora UP200St, opremljenog sonotrodom od 7 mm. Amplituda ultrazvučnog talasa je održavana konstantnom na 70%. Primijenjena je ledena kupka kako bi se izbjeglo pregrijavanje. Neoljušteni SN uklonjeni su centrifugiranjem na 1000 rpm tokom 10 min. Konačno, proizvod je dekantiran i osušen na sobnoj temperaturi pod vakuumom preko noći. (up. Guo et al., 2022.)

Ultrazvučne sonde i reaktori velike snage za piling Xenes nano listova

Hielscher Ultrasonics dizajnira, proizvodi i distribuira robusne i pouzdane ultrasonikatore bilo koje veličine. Od kompaktnih laboratorijskih ultrazvučnih uređaja do industrijskih ultrazvučnih sondi i reaktora, Hielscher ima idealan ultrazvučni sistem za vaš proces. Uz dugogodišnje iskustvo u primjenama kao što su sinteza nanomaterijala i disperzija, naše dobro obučeno osoblje će vam preporučiti najprikladnije podešavanje za vaše zahtjeve. Hielscher industrijski ultrazvučni procesori poznati su kao pouzdani radni konji u industrijskim objektima. Sposobni da isporuče vrlo velike amplitude, Hielscher ultrasonikatori su idealni za primjene visokih performansi kao što su sinteza ksena i drugih 2D jednoslojnih nanomaterijala kao što su borofen, fosforen ili grafen, kao i pouzdana disperzija ovih nanostruktura.
Izuzetno moćan ultrazvuk: Hielscher Ultrasonics’ industrijski ultrazvučni procesori mogu isporučiti vrlo velike amplitude. Amplitude do 200 µm mogu se lako raditi u kontinuitetu u radu 24/7. Za još veće amplitude, dostupne su prilagođene ultrazvučne sonotrode.
Najviša kvaliteta – Dizajnirano i proizvedeno u Njemačkoj: Sva oprema je dizajnirana i proizvedena u našem sjedištu u Njemačkoj. Prije isporuke kupcu svaki ultrazvučni uređaj se pažljivo testira pod punim opterećenjem. Težimo zadovoljstvu kupaca i naša proizvodnja je strukturirana tako da ispunjava najviše osiguranje kvaliteta (npr. ISO certifikat).

Tabela ispod daje vam indikaciju približnih kapaciteta obrade naših ultrazvučnih aparata: