Διασπορά νανοσωλήνων άνθρακα (CNT) με υπερήχους

Οι νανοσωλήνες άνθρακα είναι ανθεκτικοί και εύκαμπτοι, αλλά παρουσιάζουν πολύ ισχυρή συνοχή μεταξύ τους. Η διασπορά τους σε υγρά, όπως νερό, αιθανόλη, έλαιο, πολυμερές ή εποξειδική ρητίνη, είναι δύσκολη. Οι υπέρηχοι αποτελούν αποτελεσματική μέθοδο για την απόκτηση διακριτών – μεμονωμένα διεσπαρμένων – νανοσωλήνων άνθρακα.

Οι νανοσωλήνες άνθρακα (CNT) χρησιμοποιούνται σε κόλλες, επιστρώσεις και πολυμερή, καθώς και ως ηλεκτρικά αγώγιμα πληρωτικά σε πλαστικά για την απαγωγή στατικών φορτίων σε ηλεκτρικό εξοπλισμό και σε πάνελ αμαξώματος αυτοκινήτων που μπορούν να βαφούν ηλεκτροστατικά. Με τη χρήση νανοσωλήνων, τα πολυμερή μπορούν να γίνουν πιο ανθεκτικά στις θερμοκρασίες, στις ισχυρές χημικές ουσίες, σε διαβρωτικά περιβάλλοντα, σε ακραίες πιέσεις και στην αποτριβή. Υπάρχουν δύο κατηγορίες νανοσωλήνων άνθρακα: νανοσωλήνες μονού τοιχώματος (SWNT) και νανοσωλήνες πολλαπλών τοιχωμάτων (MWNT).

Οι νανοσωλήνες άνθρακα διατίθενται γενικά ως ξηρό υλικό, π.χ. από εταιρείες όπως η SES Research ή η CNT Co., Ltd. Απαιτείται μια απλή, αξιόπιστη και κλιμακώσιμη διαδικασία αποσυσσωμάτωσης, ώστε να αξιοποιηθούν στο μέγιστο οι δυνατότητες των νανοσωλήνων. Για υγρά με ιξώδες έως 100.000cP, οι υπέρηχοι αποτελούν πολύ αποτελεσματική τεχνολογία για τη διασπορά νανοσωλήνων σε νερό, έλαιο ή πολυμερή, σε χαμηλές ή υψηλές συγκεντρώσεις. Οι πίδακες υγρού που προκύπτουν από την υπερηχητική σπηλαίωση, υπερνικούν τις δυνάμεις σύνδεσης μεταξύ των νανοσωλήνων και διαχωρίζουν τους σωλήνες. Λόγω των δυνάμεων διάτμησης και των μικροστροβιλισμών που δημιουργούνται από τους υπερήχους, οι υπέρηχοι μπορούν επίσης να συμβάλουν στην επιφανειακή επικάλυψη και στη χημική αντίδραση των νανοσωλήνων με άλλα υλικά.

Γενικά, μια αδρομερής διασπορά νανοσωλήνων προαναμειγνύεται αρχικά με έναν συμβατικό αναδευτήρα και στη συνέχεια ομογενοποιείται στον αντιδραστήρα κυψελίδας ροής υπερήχων. Το παρακάτω βίντεο παρουσιάζει μια εργαστηριακή δοκιμή (κατεργασία παρτίδας με υπερήχους χρησιμοποιώντας ένα UP400S) για τη διασπορά νανοσωλήνων άνθρακα πολλαπλών τοιχωμάτων σε νερό, σε χαμηλή συγκέντρωση. Λόγω της χημικής φύσης του άνθρακα, η διασπορά των νανοσωλήνων στο νερό είναι αρκετά δύσκολη. Όπως φαίνεται στο βίντεο, μπορεί εύκολα να αποδειχθεί ότι η κατεργασία με υπερήχους είναι ικανή να διασπείρει αποτελεσματικά τους νανοσωλήνες.

Διασπορά νανοσωλήνων άνθρακα με υπερήχους: Η συσκευή υπερήχων Hielscher UP400S (400W) διασπείρει και αποπλέκει τους νανοσωλήνες άνθρακα (CNTs) γρήγορα και αποτελεσματικά, διαχωρίζοντάς τους σε μεμονωμένους νανοσωλήνες.

Διασπορά μεμονωμένων SWNT μεγάλου μήκους

Ένα σημαντικό πρόβλημα για την επεξεργασία και τον χειρισμό των SWNT είναι η εγγενής αδιαλυτότητα των σωλήνων στους συνήθεις οργανικούς διαλύτες και στο νερό. Η λειτουργικοποίηση του πλευρικού τοιχώματος ή των ανοικτών άκρων των νανοσωλήνων, με σκοπό τη δημιουργία κατάλληλης διεπιφάνειας μεταξύ των SWNT και του διαλύτη, οδηγεί συνήθως μόνο σε μερική απολέπιση των σχοινοειδών δεσμών SWNT.
Ως αποτέλεσμα, οι SWNT διασπείρονται συνήθως ως δέσμες και όχι ως πλήρως απομονωμένα μεμονωμένα αντικείμενα. Όταν εφαρμόζονται υπερβολικά έντονες συνθήκες κατά τη διασπορά, οι SWNT βραχύνονται σε μήκη μεταξύ 80 και 200nm. Παρότι αυτό είναι χρήσιμο για ορισμένες δοκιμές, το μήκος αυτό είναι πολύ μικρό για τις περισσότερες πρακτικές εφαρμογές, όπως η χρήση SWNT ως ημιαγώγιμων ή ενισχυτικών υλικών. Η ελεγχόμενη, ήπια κατεργασία με υπερήχους (π.χ. με το UP200Ht με ηχοτρόδιο 40mm) αποτελεί αποτελεσματική διαδικασία για την παρασκευή υδατικών διασπορών μεμονωμένων SWNT μεγάλου μήκους. Οι ακολουθίες ήπιας κατεργασίας με υπερήχους ελαχιστοποιούν τη βράχυνση και επιτρέπουν τη μέγιστη διατήρηση των δομικών και ηλεκτρονικών ιδιοτήτων.

Καθαρισμός SWNT με κατεργασία με υπερήχους υποβοηθούμενη από πολυμερές

Η μελέτη της χημικής τροποποίησης των SWNT σε μοριακό επίπεδο είναι δύσκολη, επειδή είναι δύσκολο να ληφθούν καθαροί SWNT. Οι SWNT στην κατάσταση που λαμβάνονται μετά την ανάπτυξή τους περιέχουν πολλές προσμείξεις, όπως μεταλλικά σωματίδια και άμορφο άνθρακα. Η κατεργασία των SWNT με υπερήχους σε διάλυμα πολυ(μεθακρυλικού μεθυλεστέρα) PMMA σε μονοχλωροβενζόλιο (MCB), ακολουθούμενη από διήθηση, αποτελεί αποτελεσματικό τρόπο καθαρισμού των SWNT. Αυτή η μέθοδος καθαρισμού με τη βοήθεια πολυμερούς επιτρέπει την αποτελεσματική απομάκρυνση των προσμείξεων από τους SWNT στην κατάσταση που λαμβάνονται μετά την ανάπτυξή τους. (Yudasaka et al.) Ο ακριβής έλεγχος του πλάτους ταλάντωσης κατά την κατεργασία με υπερήχους επιτρέπει τον περιορισμό των βλαβών στους SWNT.

Της Hielscher η ευρεία γκάμα συσκευών υπερήχων και παρελκομένων για την αποτελεσματική διασπορά νανοσωλήνων.

• Συμπαγείς εργαστηριακές συσκευές με ισχύ υπερήχων έως 400 watts για τη διασπορά σε μικρότερους όγκους έως 2 λίτρα
• UIP500hdT, UIP1000hdT και UIP1500hdT είναι επεξεργαστές υπερήχων που μπορούν να επεξεργαστούν μεγαλύτερους όγκους.
• Συστήματα υπερήχων ισχύος 2kW (UIP2000hdT) και 4kW (UIP4000hdT) μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη διασπορά νανοσωλήνων άνθρακα σε κλίμακα παραγωγής. Το UIP10000 (10 kilowatts) και το UIP16000 (16 kilowatts) μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε συστοιχίες πολλών μεμονωμένων μονάδων για την επεξεργασία νανοσωλήνων άνθρακα σε μεγάλη κλίμακα.”

Βιβλιογραφία

• Koshio, A., Yudasaka, M., Zhang, M., Iijima, S. (2001): A Simple Way to Chemically React Single-Wall Crabon Nanotubes with Organic Materials Using Ultrasonication; in Nano Letters, Vol. 1, No. 7, 2001, p. 361-363.
• Yudasaka, M., Zhang, M., Jabs, C. et al. (2000): Effect of an organic polymer in purification and cutting of single-wall carbon nanotubes. Appl Phys A 71, 449–451 (2000).
• Paredes, J. I., Burghard, M. (2004): Dispersions of Individual Single-Walled Carbon Nanotubes of High Length, in: Langmuir, Vol. 20, No. 12, 2004, 5149-5152, American Chemical Society.