Ultrazvučna eksfolijacija ksenesa

Ksenes su 2D monoelementni nanomaterijali izvanrednih svojstava, kao što su vrlo velika površina te anizotropna fizička / hemijska svojstva, uključujući vrhunsku električnu provodljivost ili vlačnu čvrstoću. Ultrazvučna eksfolijacija ili delaminacija učinkovita je i pouzdana tehnika za proizvodnju jednoslojnih 2D nanolistova iz slojevitih prekursorskih materijala. Ultrazvučna eksfolijacija već je uspostavljena za proizvodnju visokokvalitetnih nanolistova ksenesa u industrijskom obimu.

Ksenes – monoslojne nanostrukture

Ksenes su monoslojni (2D), monoelementni nanomaterijali koje odlikuju struktura nalik grafenu, kovalentna veza unutar sloja i slabe van der Waalsove sile između slojeva. Primjeri materijala koji pripadaju klasi ksenesa su borofen, silicen, germanen, stanen, fosforen (crni fosfor), arsenen, bismutenen i telurenen te antimonen. Zbog svoje jednoslojne 2D strukture, nanomaterijali ksenes odlikuju se vrlo velikom površinom te poboljšanom hemijskom i fizičkom reaktivnošću. Ove strukturne karakteristike daju nanomaterijalima ksenes impresivna fotonska, katalitička, magnetna i elektronska svojstva te čine ove nanostrukture vrlo zanimljivim za brojne industrijske primjene. Slika lijevo prikazuje SEM snimke ultrazvučno eksfoliranog borofena.

Proizvodnja nanomaterijala ksenes ultrazvučnom delaminacijom

Tečna eksfolijacija slojevitih nanomaterijala: Jednoslojni 2D nanolistovi proizvode se iz neorganskih materijala slojevite strukture (npr. grafita) koji se sastoje od slabo naslaganih slojeva domaćina, a ti slojevi pokazuju širenje međuslojnog prostora ili bubrenje pri interkalaciji određenih iona i/ili otapala. Eksfolijacija, pri kojoj se slojevita faza razdvaja na nanolistove, obično prati bubrenje zbog brzo oslabljenih elektrostatskih privlačnih sila između slojeva, što daje koloidne disperzije pojedinačnih 2D slojeva ili listova. (usp. Geng et al, 2013) Općenito je poznato da bubrenje olakšava eksfolijaciju ultrazvučnom obradom i rezultira negativno nabijenim nanolistovima. Hemijska predobrada također olakšava eksfolijaciju pomoću ultrazvučne obrade (sonikacije) u otapalima. Na primjer, funkcionalizacija omogućava eksfolijaciju slojevitih dvostrukih hidroksida (LDH) u alkoholima. (usp. Nicolosi et al., 2013)
Za ultrazvučnu eksfolijaciju / delaminaciju slojeviti materijal izlaže se snažnim ultrazvučnim valovima u otapalu. Kada se ultrazvučni valovi velike gustoće energije unose u tečnost ili suspenziju, javlja se akustična, tj. ultrazvučna kavitacija. Ultrazvučnu kavitaciju karakterizira kolaps vakuumskih mjehurića. Ultrazvučni valovi putuju kroz tečnost i stvaraju naizmjenične cikluse niskog / visokog pritiska. Sitni vakuumski mjehurići nastaju tokom ciklusa niskog pritiska (razrjeđenja) i rastu kroz više ciklusa niskog / visokog pritiska. Kada kavitacijski mjehurić dosegne tačku u kojoj ne može apsorbirati dodatnu energiju, mjehurić silovito imploidira i lokalno stvara uvjete vrlo velike gustoće energije. Kavitacijsku vruću tačku određuju vrlo visoki pritisci i temperatura, odnosno razlike pritisaka i temperature, tečni mlazevi velike brzine i smične sile. Ove sonomehaničke i sonohemijske sile potiskuju otapalo između naslaganih slojeva i razaraju slojevite čestične i kristalne strukture, čime nastaju eksfolirani nanolistovi. Niz slika u nastavku prikazuje proces eksfolijacije ultrazvučnom kavitacijom.

Brza sekvenca snimaka (od a do f) koja ilustrira sonomehaničku eksfolijaciju grafitne pahuljice u vodi pomoću UP200S, ultrazvučnog uređaja od 200W sa sonotrodom od 3 mm. Strelice pokazuju mjesto cijepanja (eksfolijacije), pri čemu kavitacijski mjehurići prodiru u procjep.
© Tyurnina et al. 2020 (CC BY-NC-ND 4.0)

Modeliranje je pokazalo da, ako je površinska energija otapala slična onoj slojevitog materijala, razlika energije između eksfoliranog i ponovno agregiranog stanja bit će vrlo mala, čime se uklanja pokretačka sila za ponovnu agregaciju. U poređenju s alternativnim metodama miješanja i smicanja, ultrazvučne miješalice pružile su učinkovitiji izvor energije za eksfolijaciju, što je dovelo do demonstracije eksfolijacije potpomognute interkalacijom iona kod TaS₂, NbS₂ i MoS₂, kao i kod slojevitih oksida. (usp. Nicolosi et al., 2013)

TEM snimke ultrazvučno tečno eksfoliranih nanolistova: (A) Grafenski nanolist eksfoliran ultrazvučnom obradom (sonikacijom) u otapalu N-metil-pirolidonu. (B) h-BN nanolist eksfoliran ultrazvučnom obradom u otapalu izopropanolu. (C) MoS2 nanolist eksfoliran ultrazvučnom obradom u vodenoj otopini surfaktanta.
(Studija i slike: ©Nicolosi et al., 2013)

Protokoli ultrazvučne tečne eksfolijacije

Ultrazvučna eksfolijacija i delaminacija ksenesa i drugih monoslojnih nanomaterijala opsežno je istražena u istraživanjima i uspješno prenesena u fazu industrijske proizvodnje. U nastavku vam predstavljamo odabrane protokole eksfolijacije primjenom ultrazvučne obrade.

Ultrazvučna eksfolijacija nanopahuljica fosforena

Fosforen (poznat i kao crni fosfor, BP) je 2D slojeviti, monoelementni materijal sastavljen od atoma fosfora.
U istraživanju Passaglie et al. (2018) prikazana je priprema stabilnih suspenzija fosforen – metil-metakrilat ultrazvučno potpomognutom tečnofaznom eksfolijacijom (LPE) bP-a u prisustvu MMA, nakon čega slijedi radikalna polimerizacija. Metil-metakrilat (MMA) je tečni monomer.

Protokol za ultrazvučnu tečnu eksfolijaciju fosforena

Suspenzije MMA_bPn, NVP_bPn i Sty_bPn dobivene su LPE-om u prisustvu samo monomera. U tipičnom postupku, ∼5 mg bP-a, pažljivo usitnjenog u avanu, stavljeno je u epruvetu, a zatim je dodana izvagana količina MMA, Sty ili NVP. Suspenzija monomera i bP-a obrađivana je ultrazvukom 90 min pomoću Hielscher Ultrasonics homogenizatora UP200St (200W, 26kHz), opremljenog sonotrodom S26d2 (promjer vrha: 2 mm). Ultrazvučna amplituda održavana je konstantnom na 50% uz P = 7 W. U svim slučajevima korištena je ledena kupka radi poboljšanog odvođenja topline. Konačne suspenzije MMA_bPn, NVP_bPn i Sty_bPn zatim su 15 min produvavane plinom N2. Sve suspenzije analizirane su DLS-om, pri čemu su vrijednosti rH bile vrlo bliske onoj za DMSO_bPn. Na primjer, suspenzija MMA_bPn (sa sadržajem bP-a od oko 1%) karakterizirana je vrijednošću rH = 512 ± 58 nm.
Dok druge naučne studije o fosforenu navode vrijeme ultrazvučne obrade od nekoliko sati uz korištenje ultrazvučne kupelji, otapala visoke tačke ključanja i nisku učinkovitost, istraživački tim Passaglie demonstrira vrlo učinkovit protokol ultrazvučne eksfolijacije pomoću ultrazvučnog uređaja sa sondom (naime Hielscher ultrazvučni uređaj model UP200St).

Ultrazvučna eksfolijacija monoslojnih nanolistova

Za više specifičnih detalja i protokola eksfolijacije borofena i nanolistova rutenijevog oksida, slijedite veze u nastavku:
Borofen: Za protokole ultrazvučne obrade i rezultate ultrazvučne eksfolijacije borofena, kliknite ovdje!
RuO2: Za protokole ultrazvučne obrade i rezultate ultrazvučne eksfolijacije nanolistova rutenijevog oksida, kliknite ovdje!

Ultrazvučna eksfolijacija nanolistova silicijum-dioksida od nekoliko slojeva

Eksfolirani nanolistovi silicijum-dioksida od nekoliko slojeva pripremljeni su iz prirodnog vermikulita (Verm) ultrazvučnom eksfolijacijom. Za sintezu eksfoliranih nanolistova silicijum-dioksida primijenjena je sljedeća metoda tečnofazne eksfolijacije: 40 mg nanolistova silicijum-dioksida dispergirano je u 40 mL apsolutnog etanola. Nakon toga je smjesa ultrazvučno obrađivana 2 h pomoću Hielscher ultrazvučnog procesora UP200St, opremljenog sonotrodom od 7 mm. Amplituda ultrazvučnog vala održavana je konstantnom na 70%. Primijenjena je ledena kupka kako bi se izbjeglo pregrijavanje. Neeksfolirani SN uklonjeni su centrifugiranjem pri 1000 rpm tokom 10 min. Na kraju je proizvod dekantiran i sušen na sobnoj temperaturi pod vakuumom preko noći. (usp. Guo et al., 2022)

Ultrazvučne sonde i reaktori velike snage za eksfolijaciju nanolistova ksenesa

Hielscher Ultrasonics projektuje, proizvodi i distribuira robusne i pouzdane ultrazvučne uređaje svih veličina. 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 i disperzija nanomaterijala, naše dobro obučeno osoblje preporučit će vam najprikladniju postavku za vaše zahtjeve. Hielscher industrijski ultrazvučni procesori poznati su kao pouzdani radni konji u industrijskim postrojenjima. Budući da mogu isporučiti vrlo visoke amplitude, Hielscher ultrazvučni uređaji idealni su za visokoučinkovite primjene kao što su sinteza ksenesa i drugih 2D monoslojnih nanomaterijala, poput borofena, fosforena ili grafena, te pouzdana disperzija ovih nanostruktura.
Izuzetno snažan ultrazvuk: Industrijski ultrazvučni procesori kompanije Hielscher Ultrasonics mogu isporučiti vrlo visoke amplitude. Amplitude do 200µm mogu se lako kontinuirano koristiti u radu 24/7. Za još više amplitude dostupne su prilagođene ultrazvučne sonotrode.
Najviši kvalitet – projektovano i proizvedeno u Njemačkoj: Sva oprema projektuje se i proizvodi u našem sjedištu u Njemačkoj. Prije isporuke kupcu, svaki ultrazvučni uređaj pažljivo se testira pod punim opterećenjem. Težimo zadovoljstvu kupaca, a naša je proizvodnja strukturirana tako da ispuni najviši nivo osiguranja kvaliteta (npr. ISO certifikacija).

Tabela u nastavku daje vam orijentaciju o približnom kapacitetu obrade naših ultrazvučnih uređaja: