Απολέπιση των xenes με υπερήχους

Τα xenes είναι 2D μονοστοιχειακά νανοϋλικά με εξαιρετικές ιδιότητες, όπως πολύ μεγάλη επιφάνεια και ανισότροπες φυσικές / χημικές ιδιότητες, στις οποίες περιλαμβάνονται η ανώτερη ηλεκτρική αγωγιμότητα ή η αντοχή σε εφελκυσμό. Η απολέπιση ή αποστρωμάτωση με υπερήχους είναι μια αποδοτική και αξιόπιστη τεχνική για την παραγωγή 2D νανοφύλλων μίας στρώσης από πρόδρομα υλικά με στρωματική δομή. Η απολέπιση με υπερήχους έχει ήδη καθιερωθεί για την παραγωγή νανοφύλλων xenes υψηλής ποιότητας σε βιομηχανική κλίμακα.

Xenes – Μονοστρωματικές νανοδομές

Τα xenes είναι μονοστρωματικά (2D), μονοστοιχειακά νανοϋλικά που διαθέτουν δομή παρόμοια με αυτή του γραφενίου, ομοιοπολικούς δεσμούς εντός της στρώσης και ασθενείς δυνάμεις van der Waals μεταξύ των στρώσεων. Παραδείγματα υλικών που ανήκουν στην κατηγορία των xenes είναι το βοροφένιο, το σιλικένιο, το γερμανένιο, το στανένιο, το φωσφορένιο (μαύρος φώσφορος), το αρσενένιο, το βισμουθένιο, το τελλουρένιο και το αντιμονένιο. Λόγω της 2D δομής τους με μία μόνο στρώση, τα νανοϋλικά xenes χαρακτηρίζονται από πολύ μεγάλη επιφάνεια, καθώς και από βελτιωμένη χημική και φυσική δραστικότητα. Αυτά τα δομικά χαρακτηριστικά προσδίδουν στα νανοϋλικά xenes εντυπωσιακές φωτονικές, καταλυτικές, μαγνητικές και ηλεκτρονικές ιδιότητες και καθιστούν αυτές τις νανοδομές ιδιαίτερα ενδιαφέρουσες για πολυάριθμες βιομηχανικές εφαρμογές. Η εικόνα στα αριστερά παρουσιάζει εικόνες ηλεκτρονικής μικροσκοπίας σάρωσης (SEM) βοροφενίου που έχει απολεπιστεί με υπερήχους.

Παραγωγή νανοϋλικών xenes με αποστρωμάτωση με υπερήχους

Απολέπιση νανοϋλικών με στρωματική δομή σε υγρή φάση: Τα 2D νανοφύλλα μίας στρώσης παράγονται από ανόργανα υλικά με στρωματική δομή (π.χ. γραφίτης), τα οποία αποτελούνται από χαλαρά στοιβαγμένες στρώσεις υποδοχής που παρουσιάζουν διεύρυνση του διαστρωματικού χώρου ή διόγκωση κατά την παρεμβολή ορισμένων ιόντων ή/και διαλυτών. Η απολέπιση, κατά την οποία η στρωματική φάση διασπάται σε νανοφύλλα, συνήθως συνοδεύει τη διόγκωση λόγω της ταχείας εξασθένησης των ηλεκτροστατικών έλξεων μεταξύ των στρώσεων, με αποτέλεσμα την παραγωγή κολλοειδών διασπορών των επιμέρους 2D στρώσεων ή φύλλων. (βλ. Geng et al, 2013) Γενικά, είναι γνωστό ότι η διόγκωση διευκολύνει την απολέπιση μέσω κατεργασίας με υπερήχους και οδηγεί σε αρνητικά φορτισμένα νανοφύλλα. Η χημική προκατεργασία διευκολύνει επίσης την απολέπιση μέσω κατεργασίας με υπερήχους σε διαλύτες. Για παράδειγμα, η εισαγωγή λειτουργικών ομάδων επιτρέπει την απολέπιση διπλών υδροξειδίων με στρωματική δομή (LDHs) σε αλκοόλες. (βλ. Nicolosi et al., 2013)
Για την απολέπιση / αποστρωμάτωση με υπερήχους, το υλικό με στρωματική δομή εκτίθεται σε ισχυρά υπερηχητικά κύματα μέσα σε διαλύτη. Όταν υπερηχητικά κύματα υψηλής ενεργειακής πυκνότητας συζεύγνυνται με ένα υγρό ή έναν πολτό, εμφανίζεται ακουστική σπηλαίωση, γνωστή και ως υπερηχητική σπηλαίωση. Η υπερηχητική σπηλαίωση χαρακτηρίζεται από την κατάρρευση φυσαλίδων κενού. Τα υπερηχητικά κύματα διαδίδονται μέσα στο υγρό και δημιουργούν εναλλασσόμενους κύκλους χαμηλής πίεσης / υψηλής πίεσης. Οι μικροσκοπικές φυσαλίδες κενού σχηματίζονται κατά τη διάρκεια ενός κύκλου χαμηλής πίεσης (αραίωσης) και μεγαλώνουν κατά τη διάρκεια διαδοχικών κύκλων χαμηλής πίεσης / υψηλής πίεσης. Όταν μια φυσαλίδα σπηλαίωσης φτάσει στο σημείο όπου δεν μπορεί να απορροφήσει περαιτέρω ενέργεια, καταρρέει βίαια προς το εσωτερικό της και δημιουργεί τοπικά συνθήκες πολύ υψηλής ενεργειακής πυκνότητας. Μια θερμή εστία σπηλαίωσης χαρακτηρίζεται από πολύ υψηλές πιέσεις και θερμοκρασία, αντίστοιχες διαφορές πίεσης και θερμοκρασίας, πίδακες υγρού υψηλής ταχύτητας και δυνάμεις διάτμησης. Αυτές οι ηχομηχανικές και ηχοχημικές δυνάμεις ωθούν τον διαλύτη ανάμεσα στις στοιβαγμένες στρώσεις και διασπούν τις σωματιδιακές και κρυσταλλικές δομές με στρωματική διάταξη, παράγοντας έτσι απολεπισμένα νανοφύλλα. Η παρακάτω ακολουθία εικόνων παρουσιάζει τη διαδικασία απολέπισης μέσω υπερηχητικής σπηλαίωσης.

Ακολουθία καρέ υψηλής ταχύτητας (από a έως f) που απεικονίζει την ηχομηχανική απολέπιση μιας νιφάδας γραφίτη σε νερό με χρήση του UP200S, μιας συσκευής υπερήχων 200W με ηχοτρόδιο 3-mm. Τα βέλη υποδεικνύουν το σημείο διαχωρισμού (απολέπισης), με φυσαλίδες σπηλαίωσης να διεισδύουν στη σχισμή.
© Tyurnina et al. 2020 (CC BY-NC-ND 4.0)

Η μοντελοποίηση έχει δείξει ότι, εάν η επιφανειακή ενέργεια του διαλύτη είναι παρόμοια με εκείνη του στρωματικού υλικού, η ενεργειακή διαφορά μεταξύ της απολεπισμένης και της επανασυσσωματωμένης κατάστασης θα είναι πολύ μικρή, εξαλείφοντας την κινητήρια δύναμη για την επανασυσσωμάτωση. Σε σύγκριση με εναλλακτικές μεθόδους ανάδευσης και διάτμησης, οι αναδευτήρες υπερήχων παρείχαν μια αποτελεσματικότερη πηγή ενέργειας για την απολέπιση, οδηγώντας στην επίδειξη απολέπισης υποβοηθούμενης από παρεμβολή ιόντων για τα TaS₂, NbS₂ και MoS₂, καθώς και για στρωματικά οξείδια. (πρβλ. Nicolosi et al., 2013)

Εικόνες TEM νανοφύλλων που απολεπίστηκαν σε υγρή φάση με υπερήχους: (A) Νανοφύλλο γραφενίου που απολεπίστηκε μέσω κατεργασίας με υπερήχους στον διαλύτη N-μεθυλοπυρρολιδόνη. (B) Νανοφύλλο h-BN που απολεπίστηκε μέσω κατεργασίας με υπερήχους στον διαλύτη ισοπροπανόλη. (C) Νανοφύλλο MoS2 που απολεπίστηκε μέσω κατεργασίας με υπερήχους σε υδατικό διάλυμα επιφανειοδραστικής ουσίας.
(Μελέτη και εικόνες: ©Nicolosi et al., 2013)

Πρωτόκολλα απολέπισης σε υγρή φάση με υπερήχους

Η απολέπιση και η αποστρωμάτωση των xenes και άλλων μονοστρωματικών νανοϋλικών με υπερήχους έχουν μελετηθεί εκτενώς σε ερευνητικό επίπεδο και μεταφέρθηκαν με επιτυχία στο στάδιο της βιομηχανικής παραγωγής. Παρακάτω σας παρουσιάζουμε επιλεγμένα πρωτόκολλα απολέπισης με κατεργασία με υπερήχους.

Απολέπιση νανονιφάδων φωσφορενίου με υπερήχους

Το φωσφορένιο (γνωστό και ως μαύρος φώσφορος, BP) είναι ένα 2D στρωματικό, μονοστοιχειακό υλικό που σχηματίζεται από άτομα φωσφόρου.
Στην έρευνα των Passaglia et al. (2018), παρουσιάζεται η παρασκευή σταθερών αιωρημάτων φωσφορενίου – μεθακρυλικού μεθυλίου με απολέπιση του bP σε υγρή φάση (LPE), υποβοηθούμενη από κατεργασία με υπερήχους παρουσία MMA, ακολουθούμενη από ριζικό πολυμερισμό. Το μεθακρυλικό μεθύλιο (MMA) είναι ένα υγρό μονομερές.

Πρωτόκολλο απολέπισης φωσφορενίου σε υγρή φάση με υπερήχους

Τα αιωρήματα MMA_bPn, NVP_bPn και Sty_bPn ελήφθησαν με LPE παρουσία μόνο του αντίστοιχου μονομερούς. Σε μια τυπική διαδικασία, ∼5 mg bP, προσεκτικά θρυμματισμένου σε γουδί, τοποθετήθηκαν σε δοκιμαστικό σωλήνα και στη συνέχεια προστέθηκε ζυγισμένη ποσότητα MMA, Sty ή NVP. Το αιώρημα bP στο μονομερές υποβλήθηκε σε κατεργασία με υπερήχους για 90 min με χρήση ομογενοποιητή υπερήχων Hielscher Ultrasonics UP200St (200W, 26kHz), εξοπλισμένου με ηχοτρόδιο S26d2 (διάμετρος άκρου: 2 mm). Το πλάτος ταλάντωσης των υπερήχων διατηρήθηκε σταθερό στο 50% με P = 7 W. Σε όλες τις περιπτώσεις χρησιμοποιήθηκε λουτρό πάγου για βελτιωμένη απαγωγή θερμότητας. Στη συνέχεια διοχετεύθηκε N2 στα τελικά αιωρήματα MMA_bPn, NVP_bPn και Sty_bPn για 15 min. Όλα τα αιωρήματα αναλύθηκαν με DLS, παρουσιάζοντας τιμές rH πολύ κοντά σε εκείνη του DMSO_bPn. Για παράδειγμα, το αιώρημα MMA_bPn (με περιεκτικότητα σε bP περίπου 1%) χαρακτηρίστηκε από rH = 512 ± 58 nm.
Ενώ άλλες επιστημονικές μελέτες για το φωσφορένιο αναφέρουν χρόνους κατεργασίας με υπερήχους αρκετών ωρών με χρήση λουτρού καθαρισμού υπερήχων, διαλύτες υψηλού σημείου ζέσεως και χαμηλή απόδοση, η ερευνητική ομάδα της Passaglia παρουσιάζει ένα ιδιαίτερα αποδοτικό πρωτόκολλο απολέπισης με υπερήχους χρησιμοποιώντας συσκευή υπερήχων με καθετήρα (συγκεκριμένα τη συσκευή υπερήχων Hielscher, μοντέλο UP200St).

Απολέπιση μονοστρωματικών νανοφύλλων με υπερήχους

Για να διαβάσετε πιο συγκεκριμένες λεπτομέρειες και πρωτόκολλα απολέπισης για νανοφύλλα βοροφενίου και οξειδίου του ρουθηνίου, ακολουθήστε τους παρακάτω συνδέσμους:
Βοροφένιο: Για πρωτόκολλα κατεργασίας με υπερήχους και αποτελέσματα απολέπισης βοροφενίου με υπερήχους, κάντε κλικ εδώ!
RuO2: Για πρωτόκολλα κατεργασίας με υπερήχους και αποτελέσματα απολέπισης νανοφύλλων οξειδίου του ρουθηνίου με υπερήχους, κάντε κλικ εδώ!

Απολέπιση νανοφύλλων διοξειδίου του πυριτίου λίγων στρωμάτων με υπερήχους

Απολεπισμένα νανοφύλλα διοξειδίου του πυριτίου λίγων στρώσεων παρασκευάστηκαν από φυσικό βερμικουλίτη (Verm) μέσω απολέπισης με υπερήχους. Για τη σύνθεση απολεπισμένων νανοφύλλων διοξειδίου του πυριτίου εφαρμόστηκε η ακόλουθη μέθοδος απολέπισης σε υγρή φάση: 40 mg νανοφύλλων διοξειδίου του πυριτίου διασπάρθηκαν σε 40 mL απόλυτης αιθανόλης. Στη συνέχεια, το μείγμα υποβλήθηκε σε κατεργασία με υπερήχους για 2 h με έναν επεξεργαστή υπερήχων Hielscher UP200St, εξοπλισμένο με ηχοτρόδιο 7 mm. Το πλάτος του υπερηχητικού κύματος διατηρήθηκε σταθερό στο 70%. Χρησιμοποιήθηκε λουτρό πάγου για την αποφυγή υπερθέρμανσης. Τα μη απολεπισμένα SN απομακρύνθηκαν με φυγοκέντρηση στις 1000 rpm για 10 min. Τέλος, το προϊόν αποχύθηκε και ξηράνθηκε σε θερμοκρασία δωματίου υπό κενό καθ’ όλη τη διάρκεια της νύχτας. (πρβλ. Guo et al., 2022)

Υπερηχητικοί καθετήρες και αντιδραστήρες υψηλής ισχύος για την απολέπιση νανοφύλλων xenes

Η Hielscher Ultrasonics σχεδιάζει, κατασκευάζει και διανέμει ανθεκτικές και αξιόπιστες συσκευές υπερήχων κάθε μεγέθους. Από συμπαγείς εργαστηριακές συσκευές υπερήχων έως βιομηχανικούς υπερηχητικούς καθετήρες και αντιδραστήρες, η Hielscher διαθέτει το ιδανικό σύστημα υπερήχων για τη διεργασία σας. Με πολυετή εμπειρία σε εφαρμογές όπως η σύνθεση και η διασπορά νανοϋλικών, το άρτια εκπαιδευμένο προσωπικό μας θα σας προτείνει την καταλληλότερη διάταξη για τις απαιτήσεις σας. Οι βιομηχανικοί επεξεργαστές υπερήχων της Hielscher είναι γνωστοί ως αξιόπιστα μηχανήματα εντατικής χρήσης σε βιομηχανικές εγκαταστάσεις. Με δυνατότητα παροχής πολύ υψηλών πλατών ταλάντωσης, οι συσκευές υπερήχων της Hielscher είναι ιδανικές για εφαρμογές υψηλών επιδόσεων, όπως η σύνθεση xenes και άλλων μονοστρωματικών νανοϋλικών 2D, όπως το βοροφένιο, το φωσφορένιο ή το γραφένιο, καθώς και για την αξιόπιστη διασπορά αυτών των νανοδομών.
Εξαιρετικά ισχυροί υπέρηχοι: Οι βιομηχανικοί επεξεργαστές υπερήχων της Hielscher Ultrasonics μπορούν να παρέχουν πολύ υψηλά πλάτη ταλάντωσης. Πλάτη ταλάντωσης έως και 200µm μπορούν εύκολα να διατηρούνται συνεχώς σε λειτουργία 24/7. Για ακόμη υψηλότερα πλάτη ταλάντωσης διατίθενται ειδικά προσαρμοσμένα ηχοτρόδια υπερήχων.
Ύψιστη ποιότητα – Σχεδιασμός και κατασκευή στη Γερμανία: Όλος ο εξοπλισμός σχεδιάζεται και κατασκευάζεται στις κεντρικές μας εγκαταστάσεις στη Γερμανία. Πριν από την παράδοση στον πελάτη, κάθε συσκευή υπερήχων ελέγχεται προσεκτικά υπό πλήρες φορτίο. Επιδιώκουμε την ικανοποίηση των πελατών και η παραγωγή μας είναι οργανωμένη ώστε να πληροί τις υψηλότερες απαιτήσεις διασφάλισης ποιότητας (π.χ. πιστοποίηση ISO).

Ο παρακάτω πίνακας παρέχει μια ένδειξη της κατά προσέγγιση δυναμικότητας επεξεργασίας των συσκευών υπερήχων μας: