Υπερήχων διασπορά νανοσωλήνων άνθρακα (CNT)

Οι νανοσωλήνες άνθρακα είναι ισχυροί και εύκαμπτοι, αλλά πολύ συνεκτικοί. Είναι δύσκολο να διασκορπιστούν σε υγρά, όπως νερό, αιθανόλη, λάδι, πολυμερές ή εποξειδική ρητίνη. Ο υπέρηχος είναι μια αποτελεσματική μέθοδος για την απόκτηση διακριτής – μονής διασποράς – νανοσωλήνες άνθρακα.

Οι νανοσωλήνες άνθρακα (CNT) χρησιμοποιούνται σε κόλλες, επιστρώσεις και πολυμερή και ως ηλεκτρικά αγώγιμα πληρωτικά σε πλαστικά για τη διάχυση στατικών φορτίων σε ηλεκτρικό εξοπλισμό και σε ηλεκτροστατικά βαμμένα πάνελ αμαξώματος αυτοκινήτων. Με τη χρήση νανοσωλήνων, τα πολυμερή μπορούν να γίνουν πιο ανθεκτικά στις θερμοκρασίες, τις σκληρές χημικές ουσίες, τα διαβρωτικά περιβάλλοντα, τις ακραίες πιέσεις και την τριβή. 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 Έρευνα SES ή CNT Co., Ltd. Απαιτείται μια απλή, αξιόπιστη και κλιμακούμενη διαδικασία αποσυσσωμάτωσης, προκειμένου να αξιοποιηθούν οι νανοσωλήνες στο μέγιστο δυναμικό τους. Για υγρά έως 100.000cP ο υπέρηχος είναι μια πολύ αποτελεσματική τεχνολογία για τη διασπορά νανοσωλήνων σε νερό, λάδι ή πολυμερή σε χαμηλές ή υψηλές συγκεντρώσεις. Τα υγρά ρεύματα εκτόξευσης που προκύπτουν από υπερήχων σπηλαίωση, υπερνικούν τις δυνάμεις συγκόλλησης μεταξύ των νανοσωλήνων και διαχωρίζουν τους σωλήνες. Λόγω των υπερηχητικά παραγόμενων δυνάμεων διάτμησης και των μικροαναταράξεων, ο υπέρηχος μπορεί να βοηθήσει στην επιφανειακή επικάλυψη και τη χημική αντίδραση των νανοσωλήνων με άλλα υλικά, πάρα πολύ.

Γενικά, μια χονδροειδής διασπορά νανοσωλήνων αναμιγνύεται πρώτα από έναν τυποποιημένο αναδευτήρα και στη συνέχεια ομογενοποιείται στον αντιδραστήρα κυττάρων ροής υπερήχων. Το παρακάτω βίντεο δείχνει μια εργαστηριακή δοκιμή (παρτίδα υπερήχων χρησιμοποιώντας ένα UP400S) διασπορά νανοσωλήνων άνθρακα πολλαπλών τοιχωμάτων στο νερό σε χαμηλή συγκέντρωση. Λόγω της χημικής φύσης του άνθρακα, η συμπεριφορά διασποράς των νανοσωλήνων στο νερό είναι μάλλον δύσκολη. Όπως φαίνεται στο βίντεο, μπορεί εύκολα να αποδειχθεί ότι η υπερήχους είναι ικανή να διασκορπίσει αποτελεσματικά τους νανοσωλήνες.

Διασπορά μεμονωμένων SWNT μεγάλου μήκους

Ένα σημαντικό πρόβλημα για την επεξεργασία και το χειρισμό των SWNTs είναι η εγγενής αδιαλυτότητα των σωλήνων σε κοινούς οργανικούς διαλύτες και νερό. Η λειτουργικότητα του πλευρικού τοιχώματος του νανοσωλήνα ή των ανοιχτών άκρων για τη δημιουργία κατάλληλης διεπαφής μεταξύ των SWNT και του διαλύτη οδηγεί κυρίως μόνο σε μερική απολέπιση των συρματόσχοινων SWNT.
Ως αποτέλεσμα, τα SWNTs συνήθως διασκορπίζονται ως δέσμες και όχι ως πλήρως απομονωμένα μεμονωμένα αντικείμενα. Όταν χρησιμοποιούνται πολύ σκληρές συνθήκες κατά τη διασπορά, τα SWNTs συντομεύονται σε μήκη μεταξύ 80 και 200nm. Αν και αυτό είναι χρήσιμο για ορισμένες δοκιμές, αυτό το μήκος είναι πολύ μικρό για τις περισσότερες πρακτικές εφαρμογές, όπως ημιαγώγιμα ή ενισχυτικά SWNT. Ελεγχόμενη, ήπια θεραπεία με υπερήχους (π.χ. με UP200Ht με sonotrode 40mm) είναι μια αποτελεσματική διαδικασία για την παρασκευή υδατικών διασπορών μακρών μεμονωμένων SWNTs. Ακολουθίες ήπιας υπερήχων ελαχιστοποιούν τη συντόμευση και επιτρέπουν τη μέγιστη διατήρηση των δομικών και ηλεκτρονικών ιδιοτήτων.

Καθαρισμός του SWNT με υπερήχους υποβοηθούμενη από πολυμερές

Είναι δύσκολο να μελετηθεί η χημική τροποποίηση των SWNTs σε μοριακό επίπεδο, επειδή είναι δύσκολο να ληφθούν καθαρά SWNTs. Τα AS-grown SWNTs περιέχουν πολλές ακαθαρσίες, όπως μεταλλικά σωματίδια και άμορφους άνθρακες. Υπερήχους των SWNTs σε ένα διάλυμα μονοχλωροβενζολίου (MCB) του πολυ(μεθακρυλικού μεθυλίου) PMMA ακολουθούμενη από διήθηση είναι ένας αποτελεσματικός τρόπος για τον καθαρισμό SWNTs. Αυτή η μέθοδος καθαρισμού με τη βοήθεια πολυμερούς επιτρέπει την αποτελεσματική απομάκρυνση των ακαθαρσιών από τα SWNT που καλλιεργούνται. (Yudasaka et al.) Ο ακριβής έλεγχος του πλάτους υπερήχων επιτρέπει τον περιορισμό των ζημιών στα SWNTs.

Hielscher του ευρύ φάσμα συσκευών υπερήχων και εξαρτήματα για την αποτελεσματική διασπορά νανοσωλήνων.

• Συμπαγείς εργαστηριακές συσκευές έως και Ισχύς υπερήχων 400 watt για τη διασπορά σε μικρότερους όγκους έως 2 λίτρα
• UIP500hdT, UIP1000hdT και UIP1500hdT είναι επεξεργαστές υπερήχων που μπορούν να επεξεργαστούν μεγαλύτερους όγκους.
• Συστήματα υπερήχων 2kW (UIP2000hdT) και 4kW (UIP4000hdT) μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την κλίμακα παραγωγής διασποράς νανοσωλήνων άνθρακα. Ο UIP10000 (10 κιλοβάτ) και το UIP16000 (16 κιλοβάτ) Μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε συστάδες πολλών μεμονωμένων μονάδων για μεγάλης κλίμακας επεξεργασία νανοσωλήνων άνθρακα.”

Λογοτεχνία

• 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.