Πώς να διασπείρετε μεμονωμένα νανοσωλήνες άνθρακα μονού τοιχώματος

Οι νανοσωλήνες άνθρακα μονού τοιχώματος (SWNTs ή SWCNTs) έχουν μοναδικά χαρακτηριστικά, αλλά για να τα εκδηλώσουν πρέπει να διασπαρούν μεμονωμένα. Για να αξιοποιηθούν πλήρως τα εξαιρετικά χαρακτηριστικά των νανοσωλήνων άνθρακα μονού τοιχώματος, οι σωλήνες πρέπει να απεμπλακούν όσο το δυνατόν πληρέστερα. Οι SWNTs, όπως και άλλα νανοσωματίδια, εμφανίζουν πολύ ισχυρές ελκτικές δυνάμεις, οπότε απαιτείται μια ισχυρή και αποτελεσματική τεχνική για αξιόπιστη αποσυσσωμάτωση και διασπορά. Ενώ οι συνήθεις τεχνικές ανάμειξης δεν παρέχουν την ένταση που απαιτείται για την απεμπλοκή των SWNTs χωρίς να τους προκαλούν βλάβη, οι υπέρηχοι υψηλής ισχύος έχουν αποδειχθεί αποτελεσματικοί στην απεμπλοκή και τη διασπορά των SWCNTs. Οι δυνάμεις διάτμησης που δημιουργούνται από τη σπηλαίωση μέσω υπερήχων είναι αρκετά ισχυρές ώστε να υπερνικούν τις δυνάμεις σύνδεσης, ενώ η ένταση των υπερήχων μπορεί να ρυθμιστεί με ακρίβεια ώστε να αποφεύγεται η πρόκληση βλάβης στους SWCNTs.

Πρόβλημα:

Οι νανοσωλήνες άνθρακα μονού τοιχώματος (SWCNTs) διαφέρουν από τους νανοσωλήνες άνθρακα πολλαπλών τοιχωμάτων (MWNTs/ MWCNTs) ως προς τις ηλεκτρικές τους ιδιότητες. Το ενεργειακό χάσμα των SWCNTs μπορεί να κυμαίνεται από μηδέν έως 2 eV και η ηλεκτρική τους αγωγιμότητα παρουσιάζει μεταλλική ή ημιαγώγιμη συμπεριφορά. Καθώς οι νανοσωλήνες άνθρακα μονού τοιχώματος παρουσιάζουν ισχυρή συνοχή, ένα από τα σημαντικότερα εμπόδια στην επεξεργασία των SWCNTs είναι η εγγενής αδιαλυτότητα των σωλήνων σε οργανικούς διαλύτες ή στο νερό. Για την πλήρη αξιοποίηση των δυνατοτήτων των SWCNTs, απαιτείται μια απλή, αξιόπιστη και κλιμακώσιμη διεργασία αποσυσσωμάτωσης των σωλήνων. Ειδικότερα, η λειτουργικοποίηση των πλευρικών τοιχωμάτων ή των ανοικτών άκρων των CNTs για τη δημιουργία κατάλληλης διεπιφάνειας μεταξύ των SWCNTs και του οργανικού διαλύτη οδηγεί μόνο σε μερική αποφλοίωση των SWCNTs. Επομένως, οι SWCNTs διασπείρονται κυρίως ως δέσμες και όχι ως μεμονωμένα αποσυσσωματωμένα σχοινία. Εάν οι συνθήκες κατά τη διασπορά είναι υπερβολικά έντονες, οι SWCNTs θα βραχυνθούν σε μήκη μεταξύ 80 και 200nm. Για την πλειονότητα των πρακτικών εφαρμογών, δηλαδή για SWCNTs με ημιαγώγιμη ή ενισχυτική λειτουργία, αυτό το μήκος είναι πολύ μικρό.

Λύση:

Η κατεργασία με υπερήχους είναι μια πολύ αποτελεσματική μέθοδος διασποράς και αποσυσσωμάτωσης νανοσωλήνων άνθρακα, καθώς τα υπερηχητικά κύματα υψηλής έντασης δημιουργούν σπηλαίωση στα υγρά. Τα ηχητικά κύματα που διαδίδονται στα υγρά μέσα προκαλούν εναλλασσόμενους κύκλους υψηλής πίεσης (συμπίεσης) και χαμηλής πίεσης (αραίωσης), με ρυθμούς που εξαρτώνται από τη συχνότητα. Κατά τον κύκλο χαμηλής πίεσης, τα υπερηχητικά κύματα υψηλής έντασης δημιουργούν μικρές φυσαλίδες κενού ή κοιλότητες στο υγρό. Όταν οι φυσαλίδες φθάσουν σε όγκο στον οποίο δεν μπορούν πλέον να απορροφήσουν ενέργεια, καταρρέουν βίαια κατά τη διάρκεια ενός κύκλου υψηλής πίεσης. Αυτό το φαινόμενο ονομάζεται σπηλαίωση. Κατά την ενδόρρηξη επιτυγχάνονται τοπικά πολύ υψηλές θερμοκρασίες (περίπου 5.000K) και πιέσεις (περίπου 2.000atm). Η ενδόρρηξη της φυσαλίδας σπηλαίωσης προκαλεί επίσης πίδακες υγρού με ταχύτητα έως 280m/s. Αυτοί οι πίδακες υγρού, που προκύπτουν από τη σπηλαίωση μέσω υπερήχων, υπερνικούν τις δυνάμεις σύνδεσης μεταξύ των νανοσωλήνων άνθρακα και, συνεπώς, οι νανοσωλήνες αποσυσσωματώνονται. Μια ήπια, ελεγχόμενη κατεργασία με υπερήχους αποτελεί κατάλληλη μέθοδο για τη δημιουργία αιωρημάτων διασπαρμένων SWCNTs μεγάλου μήκους, σταθεροποιημένων με επιφανειοδραστικές ουσίες. Για την ελεγχόμενη παραγωγή SWCNTs, οι επεξεργαστές υπερήχων της Hielscher επιτρέπουν τη λειτουργία με ένα ευρύ φάσμα συνδυασμών παραμέτρων υπερήχων. Το πλάτος ταλάντωσης των υπερήχων, η πίεση του υγρού και η σύσταση του υγρού μπορούν να μεταβάλλονται ανάλογα με το συγκεκριμένο υλικό και τη διεργασία. Αυτό προσφέρει ποικίλες δυνατότητες ρύθμισης, όπως

• πλάτη ταλάντωσης ηχοτροδίου έως 170 micron
• πιέσεις υγρού έως 10 bars
• παροχές υγρού έως 15L/min (ανάλογα με τη διεργασία)
• θερμοκρασίες υγρού έως 80 degC (άλλες θερμοκρασίες κατόπιν αιτήματος)
• ιξώδες υλικού έως 100.000cp

 

Επιπλέον, η κατεργασία με υπερήχους ως μέθοδος καθαρισμού με τη βοήθεια πολυμερούς επιτρέπει την αποτελεσματική απομάκρυνση προσμείξεων από SWCNTs όπως λαμβάνονται μετά την ανάπτυξή τους. Η μελέτη της χημικής τροποποίησης των SWCNTs σε μοριακό επίπεδο είναι δύσκολη, επειδή είναι δύσκολο να ληφθούν καθαροί SWNTs. Οι SWCNTs όπως λαμβάνονται μετά την ανάπτυξή τους περιέχουν πολλές προσμείξεις, όπως μεταλλικά σωματίδια και άμορφες μορφές άνθρακα. Η κατεργασία SWCNTs με υπερήχους σε διάλυμα πολυ(μεθακρυλικού μεθυλεστέρα) PMMA σε μονοχλωροβενζόλιο (MCB), ακολουθούμενη από διήθηση, αποτελεί αποτελεσματικό τρόπο καθαρισμού των SWCNTs. Αυτή η μέθοδος καθαρισμού με τη βοήθεια πολυμερούς επιτρέπει την αποτελεσματική απομάκρυνση προσμείξεων από SWCNTs όπως λαμβάνονται μετά την ανάπτυξή τους. Ο ακριβής έλεγχος του πλάτους ταλάντωσης κατά την κατεργασία με υπερήχους επιτρέπει την αποφυγή ή τον περιορισμό της πρόκλησης βλάβης στους SWCNTs.

Εξοπλισμός υπερήχων

Η Hielscher προσφέρει υψηλής απόδοσης επεξεργαστές υπερήχων για την κατεργασία κάθε όγκου με υπερήχους. Συσκευές υπερήχων από 50 watts έως 16.000 watts, οι οποίες μπορούν να διαμορφωθούν σε συστοιχίες, επιτρέπουν την εύρεση της κατάλληλης συσκευής υπερήχων για κάθε εφαρμογή, τόσο στο εργαστήριο όσο και στη βιομηχανία. Για την απαιτητική διασπορά νανοσωλήνων συνιστάται συνεχής κατεργασία με υπερήχους. Με τη χρήση των κυψελίδων ροής της Hielscher καθίσταται δυνατή η διασπορά CNTs σε υγρά αυξημένου ιξώδους, όπως πολυμερή, τήγματα υψηλού ιξώδους και θερμοπλαστικά.

Κάντε κλικ εδώ για να διαβάσετε περισσότερα σχετικά με τη διασπορά και την τροποποίηση νανοσωλήνων με υπερήχους υψηλής ισχύος!