Παραγωγή γραφενίου με υπερήχους
Η σύνθεση γραφενίου με υπερήχους μέσω απολέπισης γραφίτη είναι η πλέον αξιόπιστη και πλεονεκτική μέθοδος για την παραγωγή φύλλων γραφενίου υψηλής ποιότητας σε βιομηχανική κλίμακα. Οι επεξεργαστές υπερήχων υψηλών επιδόσεων της Hielscher επιτρέπουν ακριβή έλεγχο και μπορούν να παράγουν πολύ υψηλά πλάτη ταλάντωσης σε λειτουργία 24/7. Αυτό επιτρέπει την παρασκευή μεγάλων ποσοτήτων παρθένου γραφενίου με εύκολο τρόπο και δυνατότητα ελέγχου του μεγέθους.
Παρασκευή γραφενίου με υπερήχους
Από τότε που έγιναν γνωστά τα εξαιρετικά χαρακτηριστικά του γραφίτη, έχουν αναπτυχθεί διάφορες μέθοδοι για την παρασκευή του. Πέρα από τη χημική παραγωγή γραφενίων από οξείδιο του γραφενίου με διεργασίες πολλαπλών σταδίων, για τις οποίες απαιτούνται πολύ ισχυρά οξειδωτικά και αναγωγικά μέσα. Επιπλέον, το γραφένιο που παρασκευάζεται υπό αυτές τις δραστικές χημικές συνθήκες συχνά περιέχει μεγάλο αριθμό ατελειών ακόμη και μετά την αναγωγή, σε σύγκριση με τα γραφένια που λαμβάνονται με άλλες μεθόδους. Ωστόσο, οι υπέρηχοι αποτελούν αποδεδειγμένη εναλλακτική λύση για την παραγωγή γραφενίου υψηλής ποιότητας, ακόμη και σε μεγάλες ποσότητες. Οι ερευνητές έχουν αναπτύξει ελαφρώς διαφορετικές προσεγγίσεις με χρήση υπερήχων, αλλά γενικά η παραγωγή γραφενίου είναι μια απλή διεργασία ενός σταδίου.
Μια 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 δείχνουν το σημείο διαχωρισμού (απολέπισης), με φυσαλίδες σπηλαίωσης να εισχωρούν στη σχισμή.
(μελέτη και εικόνες: © Tyurnina et al. 2020
UIP2000hdT – ισχυρή συσκευή υπερήχων 2kW για την απολέπιση γραφενίου
Πλεονεκτήματα της απολέπισης γραφενίου με υπερήχους
Οι συσκευές υπερήχων με ηχοτρόδιο και οι αντιδραστήρες της Hielscher καθιστούν την απολέπιση γραφενίου μια ιδιαίτερα αποδοτική διεργασία, η οποία χρησιμοποιείται για την παραγωγή γραφενίου από γραφίτη μέσω της εφαρμογής ισχυρών υπερηχητικών κυμάτων. Αυτή η τεχνική προσφέρει αρκετά πλεονεκτήματα έναντι άλλων μεθόδων παραγωγής γραφενίου. Τα κυριότερα οφέλη της απολέπισης γραφενίου με υπερήχους είναι τα εξής:
- Υψηλή απόδοση: Η απολέπιση γραφενίου μέσω κατεργασίας με υπερήχους με χρήση ηχοτροδίου είναι μια πολύ αποδοτική μέθοδος παραγωγής γραφενίου. Μπορεί να παράγει μεγάλες ποσότητες γραφενίου υψηλής ποιότητας σε σύντομο χρονικό διάστημα.
- Χαμηλό κόστος: Ο εξοπλισμός που απαιτείται για την απολέπιση με υπερήχους στη βιομηχανική παραγωγή γραφενίου είναι σχετικά οικονομικός σε σύγκριση με άλλες μεθόδους παραγωγής γραφενίου, όπως η χημική εναπόθεση ατμών (CVD) και η μηχανική απολέπιση.
- Δυνατότητα κλιμάκωσης: Η απολέπιση γραφενίου με συσκευή υπερήχων μπορεί εύκολα να κλιμακωθεί για την παραγωγή γραφενίου σε μεγάλη κλίμακα. Η απολέπιση και η διασπορά γραφενίου με υπερήχους μπορούν να πραγματοποιηθούν τόσο κατά παρτίδες όσο και σε συνεχή διεργασία εντός γραμμής. Αυτό την καθιστά βιώσιμη επιλογή για εφαρμογές βιομηχανικής κλίμακας.
- Έλεγχος των ιδιοτήτων του γραφενίου: Η απολέπιση και η αποστρωμάτωση γραφενίου μέσω κατεργασίας με υπερήχους με χρήση ηχοτροδίου επιτρέπουν τον ακριβή έλεγχο των ιδιοτήτων του παραγόμενου γραφενίου. Σε αυτές περιλαμβάνονται το μέγεθος, το πάχος και ο αριθμός των στρώσεών του.
- Ελάχιστες περιβαλλοντικές επιπτώσεις: Η απολέπιση γραφενίου με χρήση ηχοτροδίου υπερήχων είναι μια πράσινη μέθοδος παραγωγής γραφενίου, καθώς μπορεί να χρησιμοποιηθεί με μη τοξικούς, περιβαλλοντικά αβλαβείς διαλύτες, όπως το νερό ή η αιθανόλη. Αυτό σημαίνει ότι η αποστρωμάτωση γραφενίου με υπερήχους επιτρέπει την αποφυγή ή τη μείωση της χρήσης δραστικών χημικών ουσιών ή υψηλών θερμοκρασιών. Έτσι, αποτελεί μια φιλική προς το περιβάλλον εναλλακτική λύση έναντι άλλων μεθόδων παραγωγής γραφενίου.
Συνολικά, η απολέπιση γραφενίου με χρήση συσκευών υπερήχων με ηχοτρόδιο και αντιδραστήρων της Hielscher προσφέρει μια οικονομικά αποδοτική, κλιμακώσιμη και φιλική προς το περιβάλλον μέθοδο παραγωγής γραφενίου, με ακριβή έλεγχο των ιδιοτήτων του υλικού που προκύπτει.
Παράδειγμα απλής παραγωγής γραφενίου με κατεργασία με υπερήχους
Ο γραφίτης προστίθεται σε ένα μείγμα αραιού οργανικού οξέος, αλκοόλης και νερού και στη συνέχεια το μείγμα εκτίθεται σε υπερηχητική ακτινοβολία. Το οξύ λειτουργεί ως «μοριακή σφήνα», η οποία διαχωρίζει φύλλα γραφενίου από τον αρχικό γραφίτη. Με αυτή την απλή διεργασία παράγεται μεγάλη ποσότητα άθικτου γραφενίου υψηλής ποιότητας, διασπαρμένου σε νερό. (An et al. 2010)
Εικόνες ηλεκτρονικής μικροσκοπίας διέλευσης υψηλής ανάλυσης νανοφύλλων γραφενίου που ελήφθησαν
μέσω διασποράς σε υδατική φάση υποβοηθούμενης από υπερήχους και της μεθόδου Hummer.
(Μελέτη και γραφικό: Ghanem και Rehim, 2018)
Για να μάθετε περισσότερα σχετικά με τη σύνθεση, τη διασπορά και τη λειτουργικοποίηση του γραφενίου με υπερήχους, κάντε κλικ εδώ:
- Παραγωγή γραφενίου
- Νανοαιμοπετάλια γραφενίου
- Απολέπιση γραφενίου με βάση το νερό
- Γραφένιο διασπειρόμενο στο νερό
- Οξείδιο του γραφενίου
- Xenes
Άμεση απολέπιση γραφενίου
Οι υπέρηχοι επιτρέπουν την παρασκευή γραφενίου σε οργανικούς διαλύτες, διαλύματα επιφανειοδραστικών ουσιών σε νερό ή ιοντικά υγρά. Αυτό σημαίνει ότι μπορεί να αποφευχθεί η χρήση ισχυρών οξειδωτικών ή αναγωγικών παραγόντων. Οι Stankovich et al. (2007) παρήγαγαν γραφένιο με απολέπιση κατά την κατεργασία με υπερήχους.
Οι εικόνες μικροσκοπίας ατομικών δυνάμεων (AFM) του οξειδίου του γραφενίου που απολεπίστηκε με κατεργασία με υπερήχους σε συγκεντρώσεις 1 mg/mL σε νερό αποκάλυπταν πάντοτε την παρουσία φύλλων ομοιόμορφου πάχους (~1 nm· ένα παράδειγμα παρουσιάζεται στην παρακάτω εικόνα). Αυτά τα καλά απολεπισμένα δείγματα οξειδίου του γραφενίου δεν περιείχαν φύλλα ούτε παχύτερα ούτε λεπτότερα από 1nm, οδηγώντας στο συμπέρασμα ότι υπό αυτές τις συνθήκες επιτεύχθηκε πράγματι πλήρης απολέπιση του οξειδίου του γραφενίου σε μεμονωμένα φύλλα οξειδίου του γραφενίου. (Stankovich et al. 2007)
Εικόνα AFM απολεπισμένων φύλλων GO με τρία προφίλ ύψους που ελήφθησαν σε διαφορετικές θέσεις
(εικόνα και μελέτη: ©Stankovich et al., 2007)
Παρασκευή φύλλων γραφενίου
Οι Stengl et al. έχουν δείξει την επιτυχή παρασκευή καθαρών φύλλων γραφενίου σε μεγάλες ποσότητες κατά την παραγωγή μη στοιχειομετρικού νανοσύνθετου TiO2–γραφενίου με θερμική υδρόλυση εναιωρήματος που περιέχει νανοφύλλα γραφενίου και υπεροξοσύμπλοκο τιτανίας. Τα καθαρά νανοφύλλα γραφενίου παρήχθησαν από φυσικό γραφίτη με τη χρήση πεδίου σπηλαίωσης υψηλής έντασης, το οποίο δημιουργήθηκε από τον επεξεργαστή υπερήχων UIP1000hd της Hielscher σε αντιδραστήρα υπερήχων υπό πίεση 5 bar. Τα φύλλα γραφενίου που ελήφθησαν, με μεγάλη ειδική επιφάνεια και μοναδικές ηλεκτρονικές ιδιότητες, μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως καλό υπόστρωμα στήριξης για το TiO2, ώστε να ενισχυθεί η φωτοκαταλυτική δραστικότητα. Η ερευνητική ομάδα υποστηρίζει ότι η ποιότητα του γραφενίου που παρασκευάζεται με υπερήχους είναι πολύ υψηλότερη από εκείνη του γραφενίου που λαμβάνεται με τη μέθοδο Hummer, κατά την οποία ο γραφίτης απολεπίζεται και οξειδώνεται. Καθώς οι φυσικές συνθήκες στον αντιδραστήρα υπερήχων μπορούν να ελέγχονται με ακρίβεια και με την παραδοχή ότι η συγκέντρωση του γραφενίου ως προσμίκτη θα κυμαίνεται στο εύρος 1 – 0,001%, η παραγωγή γραφενίου σε συνεχές σύστημα εμπορικής κλίμακας μπορεί να εγκατασταθεί εύκολα. Διατίθενται άμεσα βιομηχανικές συσκευές υπερήχων και αντιδραστήρες εν σειρά για την αποδοτική απολέπιση γραφενίου υψηλής ποιότητας.
Αντιδραστήρας υπερήχων για την απολέπιση και τη διασπορά γραφενίου.
Παρασκευή με κατεργασία οξειδίου του γραφενίου με υπερήχους
Οι Oh et al. (2010) παρουσίασαν μια οδό παρασκευής με χρήση ακτινοβόλησης με υπερήχους για την παραγωγή στιβάδων οξειδίου του γραφενίου (GO). Για τον σκοπό αυτό, εναιώρησαν είκοσι πέντε χιλιοστόγραμμα σκόνης οξειδίου του γραφενίου σε 200 ml απιονισμένου νερού. Με ανάδευση έλαβαν ένα ανομοιογενές καφέ εναιώρημα. Τα προκύπτοντα εναιωρήματα υποβλήθηκαν σε κατεργασία με υπερήχους (30 min, 1,3 × 105J) και, μετά την ξήρανση (στους 373 K), παρήχθη το κατεργασμένο με υπερήχους οξείδιο του γραφενίου. Η φασματοσκοπία FTIR έδειξε ότι η κατεργασία με υπερήχους δεν άλλαξε τις λειτουργικές ομάδες του οξειδίου του γραφενίου.
Εικόνα SEM νανοφύλλων παρθένου γραφενίου που ελήφθησαν με κατεργασία με υπερήχους (Oh et al., 2010)
Λειτουργικοποίηση φύλλων γραφενίου
Οι Xu και Suslick (2011) περιγράφουν μια εύχρηστη μέθοδο ενός σταδίου για την παρασκευή γραφίτη λειτουργικοποιημένου με πολυστυρένιο. Στη μελέτη τους, χρησιμοποίησαν νιφάδες γραφίτη και στυρένιο ως βασικές πρώτες ύλες. Η κατεργασία των νιφάδων γραφίτη μέσα σε στυρένιο (ένα δραστικό μονομερές) με υπερήχους είχε ως αποτέλεσμα τη μηχανοχημική απολέπιση των νιφάδων γραφίτη σε μονοστρωματικά φύλλα γραφενίου και φύλλα γραφενίου λίγων στρώσεων. Ταυτόχρονα, επιτεύχθηκε η λειτουργικοποίηση των φύλλων γραφενίου με αλυσίδες πολυστυρενίου.
Η ίδια διαδικασία λειτουργικοποίησης μπορεί να πραγματοποιηθεί με άλλα βινυλικά μονομερή για σύνθετα υλικά με βάση το γραφένιο.
Βιομηχανικό σύστημα υπερήχων ισχύος για βιομηχανική απολέπιση γραφενίου εντός γραμμής παραγωγής.
Διασπορές γραφενίου
Ο βαθμός διασποράς του γραφενίου και του οξειδίου του γραφενίου είναι εξαιρετικά σημαντικός για την πλήρη αξιοποίηση των δυνατοτήτων του γραφενίου με τα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά του. Εάν το γραφένιο δεν διασπαρεί υπό ελεγχόμενες συνθήκες, η πολυδιασπορά της διασποράς γραφενίου μπορεί να οδηγήσει σε απρόβλεπτη ή μη ιδανική συμπεριφορά όταν ενσωματωθεί σε διατάξεις, καθώς οι ιδιότητες του γραφενίου μεταβάλλονται συναρτήσει των δομικών παραμέτρων του. Η κατεργασία με υπερήχους είναι μια αποδεδειγμένη μέθοδος εξασθένησης των δυνάμεων μεταξύ των στρώσεων και επιτρέπει τον ακριβή έλεγχο των σημαντικών παραμέτρων επεξεργασίας.
«Για το οξείδιο του γραφενίου (GO), το οποίο συνήθως απολεπίζεται σε μονοστρωματικά φύλλα, μία από τις κύριες προκλήσεις της πολυδιασποράς προκύπτει από τις διακυμάνσεις του εμβαδού των νιφάδων στο επίπεδό τους. Έχει αποδειχθεί ότι το μέσο πλευρικό μέγεθος του GO μπορεί να μεταβληθεί από 400 nm σε 20 μm με την αλλαγή του αρχικού υλικού γραφίτη και των συνθηκών κατεργασίας με υπερήχους.» (Green et al. 2010)
Η διασπορά γραφενίου με υπερήχους, η οποία δίνει λεπτόκοκκους και ομοιόμορφους κολλοειδείς πολτούς, έχει καταδειχθεί σε διάφορες άλλες μελέτες. (Liu et al. 2011/ Baby et al. 2011/ Choi et al. 2010)
Οι Zhang et al. (2010) έδειξαν ότι με τη χρήση κατεργασίας με υπερήχους επιτυγχάνονται σταθερή διασπορά γραφενίου με υψηλή συγκέντρωση 1 mg·mL−1 και σχετικά καθαρά φύλλα γραφενίου, και ότι τα φύλλα γραφενίου όπως παρασκευάζονται παρουσιάζουν υψηλή ηλεκτρική αγωγιμότητα 712 S·m−1. Τα αποτελέσματα της εξέτασης των υπέρυθρων φασμάτων μετασχηματισμού Fourier και των φασμάτων Raman έδειξαν ότι η μέθοδος παρασκευής με υπερήχους προκαλεί μικρότερη βλάβη στις χημικές και κρυσταλλικές δομές του γραφενίου.
Συσκευές υπερήχων υψηλών επιδόσεων για την απολέπιση γραφενίου
Για την παραγωγή νανοφύλλων γραφενίου υψηλής ποιότητας απαιτείται αξιόπιστος εξοπλισμός υπερήχων υψηλών επιδόσεων. Το πλάτος ταλάντωσης, η πίεση και η θερμοκρασία είναι βασικές παράμετροι, καθοριστικές για την αναπαραγωγιμότητα και τη σταθερή ποιότητα του προϊόντος. Οι επεξεργαστές υπερήχων της Hielscher Ultrasonics είναι ισχυρά συστήματα με δυνατότητα ακριβούς ελέγχου, τα οποία επιτρέπουν την ακριβή ρύθμιση των παραμέτρων της διεργασίας και τη συνεχή παροχή υπερήχων υψηλής ισχύος. 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 ηχοτρόδια υπερήχων ειδικής κατασκευής. Η ανθεκτικότητα του εξοπλισμού υπερήχων της Hielscher επιτρέπει τη λειτουργία 24/7 υπό βαριά καταπόνηση και σε απαιτητικά περιβάλλοντα.
Οι πελάτες μας είναι ικανοποιημένοι από την εξαιρετική ανθεκτικότητα και αξιοπιστία των συστημάτων της Hielscher Ultrasonics. Η εγκατάσταση σε τομείς εφαρμογών βαριάς καταπόνησης, σε απαιτητικά περιβάλλοντα και η λειτουργία 24/7 εξασφαλίζουν αποδοτική και οικονομική επεξεργασία. Η εντατικοποίηση των διεργασιών με υπερήχους μειώνει τον χρόνο επεξεργασίας και επιτυγχάνει καλύτερα αποτελέσματα, δηλαδή υψηλότερη ποιότητα, υψηλότερες αποδόσεις και καινοτόμα προϊόντα.
Ο παρακάτω πίνακας παρέχει μια ένδειξη της κατά προσέγγιση δυναμικότητας επεξεργασίας των συσκευών υπερήχων μας:
| Όγκος παρτίδας | Παροχή | Συνιστώμενες συσκευές |
|---|---|---|
| 0,5 έως 1,5mL | n.a. | VialTweeter |
| 1 έως 500mL | 10 έως 200mL/min | UP100H |
| 10 έως 2000mL | 20 έως 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 έως 20L | 0,2 έως 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 έως 100L | 2 έως 10L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10 έως 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | μεγαλύτερη | συστοιχία από UIP16000 |
Επικοινωνήστε μαζί μας! / Ρωτήστε μας!
Παρασκευή νανοπάπυρων άνθρακα
Οι νανοπάπυροι άνθρακα είναι παρόμοιοι με τους νανοσωλήνες άνθρακα πολλαπλών τοιχωμάτων. Η διαφορά τους από τους MWCNTs έγκειται στα ανοικτά άκρα και στην πλήρη προσβασιμότητα των εσωτερικών επιφανειών σε άλλα μόρια. Μπορούν να συντεθούν με μεθόδους υγρής χημείας, με παρεμβολή καλίου στον γραφίτη, αποφλοίωση σε νερό και κατεργασία του κολλοειδούς αιωρήματος με υπερήχους. (πρβλ. Viculis et al. 2003) Η κατεργασία με υπερήχους υποβοηθά την περιέλιξη των μονοστιβάδων γραφενίου σε νανοπαπύρους άνθρακα (βλ. παρακάτω διάγραμμα). Έχει επιτευχθεί υψηλή απόδοση μετατροπής 80%, γεγονός που καθιστά την παραγωγή νανοπαπύρων ενδιαφέρουσα για εμπορικές εφαρμογές.
Σύνθεση νανοπαπύρων άνθρακα με υπερήχους (Viculis et al. 2003)
Παρασκευή νανοταινιών
Η ερευνητική ομάδα του Hongjie Dai και των συνεργατών του από το Πανεπιστήμιο Stanford βρήκε μια τεχνική για την παρασκευή νανοταινιών. Οι ταινίες γραφενίου είναι λεπτές λωρίδες γραφενίου που ενδέχεται να έχουν ακόμη πιο χρήσιμα χαρακτηριστικά από τα φύλλα γραφενίου. Σε πλάτη περίπου 10 nm ή μικρότερα, η συμπεριφορά των ταινιών γραφενίου είναι παρόμοια με εκείνη ενός ημιαγωγού, καθώς τα ηλεκτρόνια αναγκάζονται να κινούνται κατά μήκος τους. Επομένως, θα μπορούσε να παρουσιάζει ενδιαφέρον η χρήση νανοταινιών με λειτουργίες παρόμοιες με εκείνες των ημιαγωγών στην ηλεκτρονική (π.χ. για μικρότερα, ταχύτερα τσιπ υπολογιστών).
Η παρασκευή νανοταινιών γραφενίου από τους Dai et al. βασίζεται σε δύο βήματα: αρχικά, χαλάρωσαν τις στιβάδες γραφενίου στον γραφίτη με θερμική κατεργασία στους 1000ºC για ένα λεπτό σε 3% υδρογόνο σε αέριο αργό. Στη συνέχεια, το γραφένιο διασπάστηκε σε λωρίδες με κατεργασία με υπερήχους. Οι νανοταινίες που λαμβάνονται με αυτή την τεχνική χαρακτηρίζονται από πολύ πιο «λείες» ακμές από εκείνες που παράγονται με συμβατικές λιθογραφικές μεθόδους. (Jiao et al. 2009)
Παραγωγή γραφενίου υποβοηθούμενη από υπερήχους
Στοιχεία που αξίζει να γνωρίζετε
Τι είναι το γραφένιο;
Ο γραφίτης αποτελείται από δισδιάστατα φύλλα ατόμων άνθρακα με υβριδισμό sp2 και εξαγωνική διάταξη – το γραφένιο – τα οποία στοιβάζονται με κανονικό τρόπο. Τα φύλλα γραφενίου, με πάχος ενός ατόμου, τα οποία σχηματίζουν τον γραφίτη μέσω μη δεσμικών αλληλεπιδράσεων, χαρακτηρίζονται από εξαιρετικά μεγάλη επιφάνεια. Το γραφένιο παρουσιάζει εξαιρετική αντοχή και ακαμψία κατά μήκος των βασικών επιπέδων του, φτάνοντας, με περίπου 1020 GPa, σχεδόν την τιμή αντοχής του διαμαντιού.
Το γραφένιο είναι το βασικό δομικό στοιχείο ορισμένων αλλοτροπικών μορφών, στις οποίες περιλαμβάνονται, εκτός από τον γραφίτη, και οι νανοσωλήνες άνθρακα και τα φουλερένια. Όταν χρησιμοποιείται ως πρόσθετο, το γραφένιο μπορεί να βελτιώσει δραστικά τις ηλεκτρικές, φυσικές και μηχανικές ιδιότητες, καθώς και τις ιδιότητες φραγμού των πολυμερικών σύνθετων υλικών, σε εξαιρετικά χαμηλές περιεκτικότητες. (Xu, Suslick 2011)
Χάρη στις ιδιότητές του, το γραφένιο είναι ένα υλικό με κορυφαίες επιδόσεις και, επομένως, πολλά υποσχόμενο για βιομηχανίες που παράγουν σύνθετα υλικά, επιστρώσεις ή μικροηλεκτρονικά. Ο Geim (2009) περιγράφει συνοπτικά το γραφένιο ως υπερυλικό στην ακόλουθη παράγραφο:
«Είναι το λεπτότερο υλικό στο σύμπαν και το ισχυρότερο που έχει μετρηθεί ποτέ. Οι φορείς φορτίου του παρουσιάζουν τεράστια εγγενή κινητικότητα, έχουν τη μικρότερη ενεργό μάζα (είναι μηδενική) και μπορούν να διανύουν αποστάσεις της τάξης των μικρομέτρων χωρίς σκέδαση σε θερμοκρασία δωματίου. Το γραφένιο μπορεί να αντέχει πυκνότητες ρεύματος κατά 6 τάξεις μεγέθους υψηλότερες από τον χαλκό, παρουσιάζει θερμική αγωγιμότητα και ακαμψία σε επίπεδα ρεκόρ, είναι αδιαπέραστο από αέρια και συνδυάζει τόσο αντικρουόμενες ιδιότητες όπως η ψαθυρότητα και η ολκιμότητα. Η μεταφορά ηλεκτρονίων στο γραφένιο περιγράφεται από μια εξίσωση τύπου Dirac, η οποία επιτρέπει τη διερεύνηση σχετικιστικών κβαντικών φαινομένων σε ένα πείραμα εργαστηριακού πάγκου.»
Λόγω αυτών των εξαιρετικών χαρακτηριστικών του ως υλικού, το γραφένιο είναι ένα από τα πλέον υποσχόμενα υλικά και βρίσκεται στο επίκεντρο της έρευνας για τα νανοϋλικά.
Δυνητικές εφαρμογές του γραφενίου
Βιολογικές εφαρμογές: Ένα παράδειγμα παρασκευής γραφενίου με υπερήχους και της βιολογικής χρήσης του παρουσιάζεται στη μελέτη «Σύνθεση νανοσύνθετων υλικών γραφενίου–χρυσού μέσω ηχοχημικής αναγωγής» των Park et al. (2011), όπου συντέθηκε ένα νανοσύνθετο υλικό από ανηγμένο οξείδιο του γραφενίου και νανοσωματίδια χρυσού (Au), με ταυτόχρονη αναγωγή των ιόντων χρυσού και εναπόθεση νανοσωματιδίων χρυσού στην επιφάνεια του ανηγμένου οξειδίου του γραφενίου. Για να διευκολυνθεί η αναγωγή των ιόντων χρυσού και η δημιουργία οξυγονούχων λειτουργικών ομάδων για την αγκύρωση των νανοσωματιδίων χρυσού στο ανηγμένο οξείδιο του γραφενίου, εφαρμόστηκε ακτινοβόληση με υπερήχους στο μείγμα των αντιδρώντων. Η παραγωγή βιομορίων τροποποιημένων με πεπτίδια που δεσμεύουν χρυσό καταδεικνύει τις δυνατότητες της ακτινοβόλησης γραφενίου και σύνθετων υλικών γραφενίου με υπερήχους. Επομένως, οι υπέρηχοι φαίνεται να αποτελούν κατάλληλο εργαλείο για την παρασκευή άλλων βιομορίων.
Ηλεκτρονική: Το γραφένιο είναι ένα υλικό υψηλής λειτουργικότητας για τον τομέα της ηλεκτρονικής. Λόγω της υψηλής κινητικότητας των φορέων φορτίου μέσα στο πλέγμα του, το γραφένιο παρουσιάζει μέγιστο ενδιαφέρον για την ανάπτυξη γρήγορων ηλεκτρονικών εξαρτημάτων στην τεχνολογία υψηλών συχνοτήτων.
Αισθητήρες: Το γραφένιο που έχει αποφλοιωθεί με υπερήχους μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την παραγωγή αγωγιμομετρικών αισθητήρων υψηλής ευαισθησίας και εκλεκτικότητας (των οποίων η αντίσταση μεταβάλλεται γρήγορα κατά >10 000% σε κορεσμένους ατμούς αιθανόλης), καθώς και υπερπυκνωτών με εξαιρετικά υψηλή ειδική χωρητικότητα (120 F/g), πυκνότητα ισχύος (105 kW/kg) και ενεργειακή πυκνότητα (9,2 Wh/kg). (An et al. 2010)
Αλκοόλη: Για την παραγωγή αλκοόλης: Μια δευτερεύουσα εφαρμογή μπορεί να είναι η χρήση γραφενίου στην παραγωγή αλκοόλης, όπου μεμβράνες γραφενίου μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την απόσταξη αλκοόλης και, με αυτόν τον τρόπο, για την αύξηση του αλκοολικού βαθμού των ποτών.
Ως το ισχυρότερο, το πλέον ηλεκτρικά αγώγιμο και ένα από τα ελαφρύτερα και πιο εύκαμπτα υλικά, το γραφένιο είναι ένα πολλά υποσχόμενο υλικό για ηλιακές κυψέλες, κατάλυση, διαφανείς και φωτοεκπέμπουσες οθόνες, μικρομηχανικούς συντονιστές, τρανζίστορ, ως κάθοδος σε μπαταρίες λιθίου–αέρα, για υπερευαίσθητους χημικούς ανιχνευτές, αγώγιμες επιστρώσεις, καθώς και για χρήση ως πρόσθετο σε μείγματα υλικών.
Η αρχή λειτουργίας των υπερήχων υψηλής ισχύος
Κατά την κατεργασία υγρών με υπερήχους υψηλής έντασης, 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 φτάσουν σε όγκο στον οποίο δεν μπορούν πλέον να απορροφήσουν ενέργεια, καταρρέουν βίαια κατά τη διάρκεια ενός κύκλου υψηλής πίεσης. Το φαινόμενο αυτό 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. (Suslick 1998) Η σπηλαίωση που δημιουργείται με υπερήχους προκαλεί χημικά και φυσικά φαινόμενα που μπορούν να αξιοποιηθούν σε διεργασίες.
Η ηχοχημεία που προκαλείται από τη σπηλαίωση προσφέρει μια μοναδική αλληλεπίδραση μεταξύ ενέργειας και ύλης, με θερμές εστίες στο εσωτερικό των φυσαλίδων στους ~5000 K, πιέσεις ~1000 bar και ρυθμούς θέρμανσης και ψύξης >1010K s-1· αυτές οι εξαιρετικές συνθήκες επιτρέπουν την πρόσβαση σε μια περιοχή του χώρου χημικών αντιδράσεων που συνήθως δεν είναι προσβάσιμη, επιτρέποντας τη σύνθεση μεγάλης ποικιλίας ασυνήθιστων νανοδομημένων υλικών. (Bang 2010)
Βιβλιογραφία / Αναφορές
- FactSheet: Ultrasonic Graphene Exfoliation and Dispersion – Hielscher Ultrasonics – english version
- FactSheet: Exfoliación y Dispersión de Grafeno por Ultrasonidos – Hielscher Ultrasonics – spanish version
- Adam K. Budniak, Niall A. Killilea, Szymon J. Zelewski, Mykhailo Sytnyk, Yaron Kauffmann, Yaron Amouyal, Robert Kudrawiec, Wolfgang Heiss, Efrat Lifshitz (2020): Exfoliated CrPS4 with Promising Photoconductivity. Small Vol.16, Issue1. January 9, 2020.
- Anastasia V. Tyurnina, Iakovos Tzanakis, Justin Morton, Jiawei Mi, Kyriakos Porfyrakis, Barbara M. Maciejewska, Nicole Grobert, Dmitry G. Eskin 2020): Ultrasonic exfoliation of graphene in water: A key parameter study. Carbon, Vol. 168, 2020.
- Adam K. Budniak, Niall A. Killilea, Szymon J. Zelewski, Mykhailo Sytnyk, Yaron Kauffmann, Yaron Amouyal, Robert Kudrawiec, Wolfgang Heiss, Efrat Lifshitz (2020): Exfoliated CrPS4 with Promising Photoconductivity. Small Vol.16, Issue1. January 9, 2020.
- Stengl, V.; Popelková, D.; Vlácil, P. (2011): TiO2-Graphene Nanocomposite as High Performance Photocatalysts. In: Journal of Physical Chemistry C 115/2011. pp. 25209-25218.
- An, X.; Simmons, T.; Shah, R.; Wolfe, C.; Lewis, K. M.; Washington, M.; Nayak, S. K.; Talapatra, S.; Kar, S. (2010): Stable Aqueous Dispersions of Noncovalently Functionalized Graphene from Graphite and their Multifunctional High-Performance Applications. Nano Letters 10/2010. pp. 4295-4301.
- Baby, T. Th.; Ramaprabhu, S. (2011): Enhanced convective heat transfer using graphene dispersed nanofluids. Nanoscale Research Letters 6:289, 2011.
- Bang, J. H.; Suslick, K. S. (2010): Applications of Ultrasound to the Synthesis of Nanostructured Materials. Advanced Materials 22/2010. pp. 1039-1059.
- Choi, E. Y.; Han, T. H.; Hong, J.; Kim, J. E.; Lee, S. H.; Kim, H. W.; Kim, S. O. (2010): Noncovalent functionalization of graphene with end-functional polymers. Journal of Materials Chemistry 20/ 2010. pp. 1907-1912.
- Geim, A. K. (2009): Graphene: Status and Prospects. Science 324/2009. pp. 1530-1534.
- Green, A. A.; Hersam, M. C. (2010): Emerging Methods for Producing Monodisperse Graphene Dispersions. Journal of Physical Chemistry Letters 2010. pp. 544-549.
- Guo, J.; Zhu, S.; Chen, Z.; Li, Y.; Yu, Z.; Liu, Z.; Liu, Q.; Li, J.; Feng, C.; Zhang, D. (2011): Sonochemical synthesis of TiO2 nanoparticles on graphene for use as photocatalyst
- Hasan, K. ul; Sandberg, M. O.; Nur, O.; Willander, M. (2011): Polycation stabilization of graphene suspensions. Nanoscale Research Letters 6:493, 2011.
- Liu, X.; Pan, L.; Lv, T.; Zhu, G.; Lu, T.; Sun, Z.; Sun, C. (2011): Microwave-assisted synthesis of TiO2-reduced graphene oxide composites for the photocatalytic reduction of Cr(VI). RSC Advances 2011.
- Malig, J.; Englert, J. M.; Hirsch, A.; Guldi, D. M. (2011): Wet Chemistry of Graphene. The Electrochemical Society Interface, Spring 2011. pp. 53-56.
- Oh, W. Ch.; Chen, M. L.; Zhang, K.; Zhang, F. J.; Jang, W. K. (2010): The Effect of Thermal and Ultrasonic Treatment on the Formation of Graphene-oxide Nanosheets. Journal of the Korean Physical Society 4/56, 2010. pp. 1097-1102.
- Sametband, M.; Shimanovich, U.; Gedanken, A. (2012): Graphene oxide microspheres prepared by a simple, one-step ultrasonication method. New Journal of Chemistry 36/2012. pp. 36-39.
- Savoskin, M. V.; Mochalin, V. N.; Yaroshenko, A. P.; Lazareva, N. I.; Konstanitinova, T. E.; Baruskov, I. V.; Prokofiev, I. G. (2007): Carbon nanoscrolls produced from acceptor-type graphite intercalation compounds. Carbon 45/2007. pp. 2797-2800.
- Stankovich, S.; Dikin, D. A.; Piner, R. D.; Kohlhaas, K. A.; Kleinhammes, A.; Jia, Y.; Wu, Y.; Nguyen, S. T.; Ruoff, R. S. (2007): Synthesis of graphene-based nanosheets via chemical reduction of exfoliated graphite oxide. Carbon 45/2007. pp. 1558-1565.
- Viculis, L. M.; Mack, J. J.; Kaner, R. B. (2003): A Chemical Route To Carbon Nanoscrolls. Science, 299/1361; 2003.
- Xu, H.; Suslick, K. S. (2011): Sonochemical Preparation of Functionalized Graphenes. In: Journal of American Chemical Society 133/2011. pp. 9148-9151.
- Zhang, W.; He, W.; Jing, X. (2010): Preparation of a Stable Graphene Dispersion with High Concentration by Ultrasound. Journal of Physical Chemistry B 32/114, 2010. pp. 10368-10373.
- Jiao, L.; Zhang, L.; Wang, X.; Diankov, G.; Dai, H. (2009): Narrow graphene nanoribbons from carbon nanotubes. Nature 458/ 2009. pp. 877-880.
- Park, G.; Lee, K. G.; Lee, S. J.; Park, T. J.; Wi, R.; Kim, D. H. (2011): Synthesis of Graphene-Gold Nanocomposites via Sonochemical Reduction. Journal of Nanoscience and Nanotechnology 7/11, 2011. pp. 6095-6101.
- Zhang, R.Q.; De Sakar, A. (2011): Theoretical Studies on Formation, Property Tuning and Adsorption of Graphene Segments. In: M. Sergey (ed.): Physics and Applications of Graphene – Theory. InTech 2011. pp. 3-28.
Η Hielscher Ultrasonics κατασκευάζει ομογενοποιητές υπερήχων υψηλών επιδόσεων από εργαστηριακή έως βιομηχανική κλίμακα.