Παραγωγή υπερήχων γραφενίου
Υπερήχων σύνθεση γραφενίου μέσω απολέπισης γραφίτη είναι η πιο αξιόπιστη και συμφέρουσα μέθοδος για την παραγωγή υψηλής ποιότητας φύλλα γραφενίου σε βιομηχανική κλίμακα. Hielscher υψηλής απόδοσης υπερήχων επεξεργαστές είναι ακριβώς ελεγχόμενη και μπορεί να δημιουργήσει πολύ υψηλά πλάτη σε 24 ώρες το 24ωρο, 7 ημέρες την εβδομάδα λειτουργία. Αυτό επιτρέπει την παρασκευή μεγάλων όγκων παρθένου γραφενίου με εύκολο και ελεγχόμενο μέγεθος.
Υπερήχων παρασκευή γραφενίου
Δεδομένου ότι τα εξαιρετικά χαρακτηριστικά του γραφίτη είναι γνωστά, έχουν αναπτυχθεί διάφορες μέθοδοι για την παρασκευή του. Εκτός από τη χημική παραγωγή γραφενίων από οξείδιο του γραφενίου σε διεργασίες πολλαπλών σταδίων, για τις οποίες απαιτούνται πολύ ισχυροί οξειδωτικοί και αναγωγικοί παράγοντες. Επιπλέον, το γραφένιο που παρασκευάζεται κάτω από αυτές τις σκληρές χημικές συνθήκες συχνά περιέχει μεγάλη ποσότητα ελαττωμάτων ακόμη και μετά τη μείωση σε σύγκριση με τα γραφένια που λαμβάνονται από άλλες μεθόδους. Ωστόσο, ο υπέρηχος είναι μια αποδεδειγμένη εναλλακτική λύση για την παραγωγή γραφενίου υψηλής ποιότητας, επίσης σε μεγάλες ποσότητες. Οι ερευνητές έχουν αναπτύξει ελαφρώς διαφορετικούς τρόπους χρησιμοποιώντας υπερήχους, αλλά γενικά η παραγωγή γραφενίου είναι μια απλή διαδικασία ενός βήματος.
Μια ακολουθία υψηλής ταχύτητας (από το a έως το f) πλαισίων που απεικονίζουν τη sono-μηχανική απολέπιση μιας νιφάδας γραφίτη στο νερό χρησιμοποιώντας το UP200S, ένα υπερηχητικό 200W με sonotrode 3 mm. Τα βέλη δείχνουν τον τόπο διάσπασης (απολέπιση) με φυσαλίδες σπηλαίωσης που διεισδύουν στη διάσπαση.
(μελέτη και φωτογραφίες: © Tyurnina et al. 2020
UIP2000hdT – 2kW ισχυρός υπερήχων για απολέπιση γραφενίου
Πλεονεκτήματα της απολέπισης με υπερήχους γραφενίου
Hielscher καθετήρα τύπου υπερήχων και αντιδραστήρες μετατρέπουν την απολέπιση γραφενίου σε μια εξαιρετικά αποτελεσματική διαδικασία που χρησιμοποιείται για την παραγωγή γραφενίου από γραφίτη μέσω της εφαρμογής ισχυρών κυμάτων υπερήχων. Αυτή η τεχνική προσφέρει πολλά πλεονεκτήματα έναντι άλλων μεθόδων παραγωγής γραφενίου. Σημαντικά οφέλη της απολέπισης με υπερήχους γραφενίου είναι τα ακόλουθα:
- Υψηλή αποδοτικότητα: Η απολέπιση γραφενίου μέσω υπερήχων τύπου καθετήρα είναι μια πολύ αποτελεσματική μέθοδος παραγωγής γραφενίου. Μπορεί να παράγει μεγάλες ποσότητες γραφενίου υψηλής ποιότητας σε σύντομο χρονικό διάστημα.
- Χαμηλό κόστος: Ο εξοπλισμός που απαιτείται για την υπερηχητική απολέπιση στη βιομηχανική παραγωγή γραφενίου είναι σχετικά φθηνός σε σύγκριση με άλλες μεθόδους παραγωγής γραφενίου, όπως η χημική εναπόθεση ατμών (CVD) και η μηχανική απολέπιση.
- Επεκτασιμότητα: Η απολέπιση γραφενίου μέσω υπερήχων μπορεί εύκολα να κλιμακωθεί για μεγάλης κλίμακας παραγωγή γραφενίου. Υπερήχων απολέπιση και διασπορά του γραφενίου μπορεί να τρέξει σε παρτίδα, καθώς και σε συνεχή ενσωματωμένη διαδικασία. Αυτό το καθιστά μια βιώσιμη επιλογή για εφαρμογές βιομηχανικής κλίμακας.
- Έλεγχος των ιδιοτήτων του γραφενίου: Η απολέπιση και η αποκόλληση γραφενίου χρησιμοποιώντας υπερήχους τύπου καθετήρα επιτρέπει τον ακριβή έλεγχο των ιδιοτήτων του παραγόμενου γραφενίου. Αυτό περιλαμβάνει το μέγεθος, το πάχος και τον αριθμό των στρωμάτων.
- Ελάχιστες περιβαλλοντικές επιπτώσεις: Η απολέπιση γραφενίου χρησιμοποιώντας έναν υπερήχων αποδεδειγμένα είναι μια πράσινη μέθοδος παραγωγής γραφενίου, καθώς μπορεί να χρησιμοποιηθεί με μη τοξικούς, φιλικούς προς το περιβάλλον διαλύτες όπως νερό ή αιθανόλη. Αυτό σημαίνει ότι η υπερηχητική αποκόλληση γραφενίου επιτρέπει την αποφυγή ή τη μείωση της χρήσης σκληρών χημικών ουσιών ή υψηλών θερμοκρασιών. Αυτό το καθιστά μια φιλική προς το περιβάλλον εναλλακτική λύση σε άλλες μεθόδους παραγωγής γραφενίου.
Συνολικά, η απολέπιση γραφενίου χρησιμοποιώντας υπερήχους και αντιδραστήρες τύπου Hielscher προσφέρει μια οικονομικά αποδοτική, κλιμακούμενη και φιλική προς το περιβάλλον μέθοδο παραγωγής γραφενίου με ακριβή έλεγχο των ιδιοτήτων του προκύπτοντος υλικού.
Παράδειγμα για την απλή παραγωγή γραφενίου χρησιμοποιώντας 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” που διαχωρίζει φύλλα γραφενίου από τον μητρικό γραφίτη. Με αυτή την απλή διαδικασία, δημιουργείται μια μεγάλη ποσότητα άθικτου, υψηλής ποιότητας γραφενίου διασκορπισμένου στο νερό. (An et al. 2010)
Εικόνες ηλεκτρονικού μικροσκοπίου μετάδοσης υψηλής ανάλυσης νανοφύλλων γραφενίου που λαμβάνονται
μέσω υπερήχων υποβοηθούμενης υδατικής φάσης διασποράς και μεθόδου Hummer.
(Μελέτη και γράφημα: Ghanem and Rehim, 2018)
Για να μάθετε περισσότερα σχετικά με τη σύνθεση υπερήχων γραφενίου, διασπορά και λειτουργικότητα, κάντε κλικ εδώ:
- Παραγωγή γραφενίου
- Νανοαιμοπετάλια γραφενίου
- Απολέπιση γραφενίου με βάση το νερό
- Γραφένιο διασπειρόμενο στο νερό
- οξείδιο του γραφενίου
- Ξένες
Άμεση απολέπιση γραφενίου
Ο υπέρηχος επιτρέπει την παρασκευή γραφενίων σε οργανικούς διαλύτες, επιφανειοδραστικές ουσίες / διαλύματα νερού ή ιοντικά υγρά. Αυτό σημαίνει ότι η χρήση ισχυρών οξειδωτικών ή αναγωγικών παραγόντων μπορεί να αποφευχθεί. Stankovich et al. (2007) παρήγαγε γραφένιο με απολέπιση υπό υπερήχους.
Οι εικόνες AFM του οξειδίου του γραφενίου που απολεπίστηκαν με υπερήχων σε συγκεντρώσεις 1 mg / mL σε νερό αποκάλυψαν πάντα την παρουσία φύλλων ομοιόμορφου πάχους (~ 1 nm, παράδειγμα φαίνεται στην παρακάτω εικόνα). Αυτά τα καλά απολεπισμένα δείγματα οξειδίου του γραφενίου δεν περιείχαν φύλλα ούτε παχύτερα ούτε λεπτότερα από 1nm, οδηγώντας στο συμπέρασμα ότι η πλήρης απολέπιση του οξειδίου του γραφενίου μέχρι μεμονωμένα φύλλα οξειδίου του γραφενίου επιτεύχθηκε πράγματι υπό αυτές τις συνθήκες. (Stankovich et al. 2007)
Εικόνα AFM απολεπισμένων φύλλων GO με τρία προφίλ ύψους που αποκτήθηκαν σε διαφορετικές τοποθεσίες
(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 στοιχειομετρικών νανοσυνθέσεων TiO2 γραφενίου με θερμική υδρόλυση εναιωρήματος με νανοφύλλα γραφενίου και σύμπλοκο τιτανίας peroxo. Τα καθαρά νανοφύλλα γραφενίου παρήχθησαν από φυσικό γραφίτη χρησιμοποιώντας ένα πεδίο σπηλαίωσης υψηλής έντασης που παράγεται από τον υπερηχητικό επεξεργαστή Hielscher UIP1000hd σε έναν αντιδραστήρα υπερήχων υπό πίεση στα 5 bar. Τα φύλλα γραφενίου που λαμβάνονται, με υψηλή ειδική επιφάνεια και μοναδικές ηλεκτρονικές ιδιότητες, μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως καλή υποστήριξη για το TiO2 για την ενίσχυση της φωτοκαταλυτικής δραστηριότητας. Η ερευνητική ομάδα ισχυρίζεται ότι η ποιότητα του υπερηχητικά παρασκευασμένου γραφενίου είναι πολύ υψηλότερη από το γραφένιο που λαμβάνεται με τη μέθοδο του Hummer, όπου ο γραφίτης απολεπίζεται και οξειδώνεται. Δεδομένου ότι οι φυσικές συνθήκες στον υπερηχητικό αντιδραστήρα μπορούν να ελεγχθούν με ακρίβεια και με την υπόθεση ότι η συγκέντρωση του γραφενίου ως dopant θα κυμαίνεται στην περιοχή του 1 – 0.001%, η παραγωγή γραφενίου σε ένα συνεχές σύστημα σε εμπορική κλίμακα εγκαθίσταται εύκολα. Βιομηχανικοί υπερήχων και ενσωματωμένοι αντιδραστήρες για αποτελεσματική απολέπιση γραφενίου υψηλής ποιότητας είναι άμεσα διαθέσιμοι.
Υπερηχητικός αντιδραστήρας για την απολέπιση και τη διασπορά γραφενίου.
Προετοιμασία με υπερήχων επεξεργασία οξειδίου του γραφενίου
Οι Oh et al. (2010) έχουν δείξει μια διαδρομή προετοιμασίας χρησιμοποιώντας υπερηχητική ακτινοβολία για την παραγωγή στρωμάτων οξειδίου του γραφενίου (GO). Ως εκ τούτου, ανέστειλαν είκοσι πέντε χιλιοστόγραμμα σκόνης οξειδίου του γραφενίου σε 200 ml απιονισμένου νερού. Με ανάδευση έλαβαν ένα ανομοιογενές καφέ εναιώρημα. Τα προκύπτοντα εναιωρήματα υποβλήθηκαν σε υπερήχους (30 λεπτά, 1,3 × 105J) και μετά την ξήρανση (στους 373 K) παρήχθη το υπερηχητικά επεξεργασμένο οξείδιο του γραφενίου. Μια φασματοσκοπία FTIR έδειξε ότι η θεραπεία με υπερήχους δεν άλλαξε τις λειτουργικές ομάδες οξειδίου του γραφενίου.
SEM εικόνα του γραφενίου παρθένα νανοφύλλα που λαμβάνονται με υπερήχους (Oh et al., 2010)
Λειτουργικότητα φύλλων γραφενίου
Οι Xu και Suslick (2011) περιγράφουν μια βολική μέθοδο ενός βήματος για την παρασκευή λειτουργικού γραφίτη από πολυστυρένιο. Στη μελέτη τους, χρησιμοποίησαν νιφάδες γραφίτη και στυρόλιο ως βασική πρώτη ύλη. Με υπερήχους τις νιφάδες γραφίτη σε στυρόλιο (ένα αντιδραστικό μονομερές), η ακτινοβολία υπερήχων είχε ως αποτέλεσμα τη μηχανοχημική απολέπιση νιφάδων γραφίτη σε φύλλα γραφενίου μονής στρώσης και λίγων στρωμάτων. Ταυτόχρονα, έχει επιτευχθεί η λειτουργικότητα των φύλλων γραφενίου με τις αλυσίδες πολυστερίνης.
Η ίδια διαδικασία λειτουργικότητας μπορεί να πραγματοποιηθεί με άλλα μονομερή βινυλίου για σύνθετα υλικά με βάση το γραφένιο.
Βιομηχανικό σύστημα υπερήχων ισχύος για βιομηχανική inline απολέπιση γραφενίου.
Διασπορές γραφενίου
Ο βαθμός διασποράς του γραφενίου και του οξειδίου του γραφενίου είναι εξαιρετικά σημαντικός για τη χρήση του πλήρους δυναμικού του γραφενίου με τα ειδικά χαρακτηριστικά του. Εάν το γραφένιο δεν διασκορπιστεί υπό ελεγχόμενες συνθήκες, η πολυδιασπορά της διασποράς γραφενίου μπορεί να οδηγήσει σε απρόβλεπτη ή μη ιδανική συμπεριφορά μόλις ενσωματωθεί σε συσκευές, καθώς οι ιδιότητες του γραφενίου ποικίλλουν ανάλογα με τις δομικές παραμέτρους του. Κατεργασία με υπερήχους είναι μια αποδεδειγμένη θεραπεία για την αποδυνάμωση των δυνάμεων μεταξύ των στρωμάτων και επιτρέπει τον ακριβή έλεγχο των σημαντικών παραμέτρων επεξεργασίας.
«Για το οξείδιο του γραφενίου (GO), το οποίο συνήθως απολεπίζεται ως φύλλα μονής στρώσης, μία από τις κύριες προκλήσεις πολυδιασποράς προκύπτει από διακυμάνσεις στην πλευρική περιοχή των νιφάδων. Έχει αποδειχθεί ότι το μέσο πλευρικό μέγεθος του GO μπορεί να μετατοπιστεί από 400 nm σε 20 μm αλλάζοντας το αρχικό υλικό γραφίτη και τις συνθήκες υπερήχων. (Green et al. 2010)
Η υπερηχητική διασπορά του γραφενίου με αποτέλεσμα λεπτές και ακόμη και κολλοειδείς πολτούς έχει αποδειχθεί σε διάφορες άλλες μελέτες. (Liu και συν. 2011/ Baby και συν. 2011/ Choi και συν. 2010)
Οι Zhang et al. (2010) έχουν δείξει ότι με τη χρήση υπερήχων επιτυγχάνεται σταθερή διασπορά γραφενίου με υψηλή συγκέντρωση 1 mg·mL−1 και σχετικά καθαρά φύλλα γραφενίου και τα παρασκευασμένα φύλλα γραφενίου παρουσιάζουν υψηλή ηλεκτρική αγωγιμότητα 712 S·m−1. Τα αποτελέσματα των μετασχηματισμένων υπέρυθρων φασμάτων Fourier και της εξέτασης φασμάτων Raman έδειξαν ότι η μέθοδος παρασκευής υπερήχων έχει λιγότερη βλάβη στις χημικές και κρυσταλλικές δομές του γραφενίου.
Υπερήχων υψηλής απόδοσης για απολέπιση γραφενίου
Για την παραγωγή νανοφύλλων γραφενίου υψηλής ποιότητας, απαιτείται αξιόπιστος εξοπλισμός υπερήχων υψηλής απόδοσης. Το πλάτος, η πίεση και η θερμοκρασία αποτελούν βασικές παραμέτρους, οι οποίες είναι ζωτικής σημασίας για την αναπαραγωγιμότητα και τη σταθερή ποιότητα του προϊόντος. Hielscher Υπέρηχοι’ Οι επεξεργαστές υπερήχων είναι ισχυρά και με ακρίβεια ελεγχόμενα συστήματα, τα οποία επιτρέπουν την ακριβή ρύθμιση των παραμέτρων της διαδικασίας και τη συνεχή έξοδο υπερήχων υψηλής ισχύος. Hielscher Υπέρηχοι βιομηχανική υπερήχων επεξεργαστές μπορεί να παραδώσει πολύ υψηλά πλάτη. Πλάτη έως 200μm μπορούν εύκολα να λειτουργούν συνεχώς σε 24 ώρες το 24ωρο, 7 ημέρες την εβδομάδα λειτουργία. Για ακόμη υψηλότερα πλάτη, διατίθενται προσαρμοσμένα υπερηχητικά sonotrodes. Η ευρωστία του υπερηχητικού εξοπλισμού Hielscher επιτρέπει 24 ώρες το 24ωρο, 7 ημέρες την εβδομάδα λειτουργία σε βαρέα καθήκοντα και σε απαιτητικά περιβάλλοντα.
Οι πελάτες μας είναι ικανοποιημένοι από την εξαιρετική ευρωστία και αξιοπιστία των συστημάτων Hielscher Ultrasonics. Η εγκατάσταση σε πεδία βαριάς εφαρμογής, απαιτητικά περιβάλλοντα και 24 ώρες το 24ωρο, 7 ημέρες την εβδομάδα λειτουργία εξασφαλίζουν αποτελεσματική και οικονομική επεξεργασία. Υπερήχων εντατικοποίηση της διαδικασίας μειώνει το χρόνο επεξεργασίας και επιτυγχάνει καλύτερα αποτελέσματα, δηλαδή υψηλότερη ποιότητα, υψηλότερες αποδόσεις, καινοτόμα προϊόντα.
Ο παρακάτω πίνακας σας δίνει μια ένδειξη της κατά προσέγγιση ικανότητας επεξεργασίας των υπερήχων μας:
| Όγκος παρτίδας | Ροή | Προτεινόμενες συσκευές |
|---|---|---|
| 0.5 έως 1.5mL | μ.δ. | VialTweeter |
| 1 έως 500mL | 10 έως 200mL/min | UP100Η |
| 10 έως 2000mL | 20 έως 400mL / λεπτό | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 έως 20L | 0.2 έως 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 έως 100L | 2 έως 10L / λεπτό | UIP4000hdT |
| μ.δ. | 10 έως 100L / λεπτό | UIP16000 |
| μ.δ. | μεγαλύτερου | σύμπλεγμα UIP16000 |
Επικοινωνήστε μαζί μας! / Ρωτήστε μας!
Προετοιμασία νανοκυλίνδρων άνθρακα
Οι νανοκύλινδροι άνθρακα είναι παρόμοιοι με τους νανοσωλήνες άνθρακα πολλαπλών τοιχωμάτων. Η διαφορά με τα MWCNTs είναι οι ανοιχτές άκρες και η πλήρης προσβασιμότητα των εσωτερικών επιφανειών σε άλλα μόρια. Μπορούν να συντεθούν υγρά-χημικά με παρεμβολή γραφίτη με κάλιο, απολέπιση σε νερό και υπερήχηση του κολλοειδούς εναιωρήματος. (βλ. Viculis et al. 2003) Η υπερήχους βοηθά την κύλιση προς τα πάνω των μονοστιβάδων γραφενίου σε νανοκυλίνδρους άνθρακα (βλ. Γράφημα παρακάτω). Έχει επιτευχθεί υψηλή απόδοση μετατροπής 80%, γεγονός που καθιστά την παραγωγή νανοκυλίνδρων ενδιαφέρουσα για εμπορικές εφαρμογές.
Υπερήχων σύνθεση των νανοκυλίνδρων άνθρακα (Viculis et al. 2003)
Προετοιμασία νανοκορδελλών
Η ερευνητική ομάδα του Hongjie Dai και των συναδέλφων του από το Πανεπιστήμιο του Στάνφορντ βρήκε μια τεχνική για την παρασκευή νανοκορδελών. Οι κορδέλες γραφενίου είναι λεπτές λωρίδες γραφενίου που μπορεί να έχουν ακόμη πιο χρήσιμα χαρακτηριστικά από τα φύλλα γραφενίου. Σε πλάτη περίπου 10 nm ή μικρότερα, η συμπεριφορά των κορδελλών γραφενίου είναι παρόμοια με έναν ημιαγωγό, καθώς τα ηλεκτρόνια αναγκάζονται να κινούνται κατά μήκος. Ως εκ τούτου, θα ήταν ενδιαφέρον να χρησιμοποιηθούν νανοκορδέλες με λειτουργίες που μοιάζουν με ημιαγωγούς στα ηλεκτρονικά (π.χ. για μικρότερα, ταχύτερα τσιπ υπολογιστών).
Dai et al. Η προετοιμασία των νανοκορδελλών γραφενίου βασίζεται σε δύο στάδια: πρώτον, χαλάρωσαν τα στρώματα γραφενίου από γραφίτη με θερμική επεξεργασία 1000ºC για ένα λεπτό σε 3% υδρογόνο σε αέριο αργό. Στη συνέχεια, το γραφένιο χωρίστηκε σε λωρίδες χρησιμοποιώντας υπερήχους. Οι νανοκορδέλες που λαμβάνονται με αυτή την τεχνική χαρακτηρίζονται από πολύ «ομαλότερη’ ακμές από αυτές που κατασκευάζονται με συμβατικά λιθογραφικά μέσα. (Jiao et al. 2009)
Υπερήχων υποβοηθούμενη παραγωγή γραφενίου
Γεγονότα που αξίζει να γνωρίζετε
Τι είναι το γραφένιο;
Ο γραφίτης αποτελείται από δισδιάστατα φύλλα sp2-υβριδοποιημένων, εξαγωνικά διατεταγμένων ατόμων άνθρακα - το γραφένιο - που στοιβάζονται τακτικά. Τα λεπτά φύλλα του γραφενίου, τα οποία σχηματίζουν γραφίτη με μη συνδετικές αλληλεπιδράσεις, χαρακτηρίζονται από μια εξαιρετικά μεγαλύτερη επιφάνεια. Το γραφένιο παρουσιάζει εξαιρετική αντοχή και σταθερότητα κατά μήκος των βασικών επιπέδων του που φτάνει με περίπου 1020 GPa σχεδόν την τιμή αντοχής του διαμαντιού.
Το γραφένιο είναι το βασικό δομικό στοιχείο ορισμένων αλλοτροπικών συμπεριλήψεων, εκτός από τον γραφίτη, επίσης νανοσωλήνες άνθρακα και φουλερένια. Χρησιμοποιείται ως πρόσθετο, το γραφένιο μπορεί να ενισχύσει δραματικά τις ηλεκτρικές, φυσικές, μηχανικές και ιδιότητες φραγμού των σύνθετων πολυμερών υλικών σε εξαιρετικά χαμηλά φορτία. (Xu, Suslick 2011)
Με τις ιδιότητές του, το γραφένιο είναι ένα υλικό υπερθετικών και ως εκ τούτου πολλά υποσχόμενο για βιομηχανίες που παράγουν σύνθετα υλικά, επικαλύψεις ή μικροηλεκτρονική. 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 γιγαντιαία εγγενή κινητικότητα, έχουν τη μικρότερη πραγματική μάζα (είναι μηδέν) και μπορούν να ταξιδέψουν σε μεγάλες αποστάσεις μικρομέτρων χωρίς σκέδαση σε θερμοκρασία δωματίου. Το γραφένιο μπορεί να διατηρήσει τις τρέχουσες πυκνότητες 6 βαθμών υψηλότερες από τον χαλκό, παρουσιάζει θερμική αγωγιμότητα και ακαμψία καταγραφής, είναι αδιαπέραστο από τα αέρια και συμφιλιώνει τέτοιες αντικρουόμενες ιδιότητες όπως η ευθραυστότητα 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 πάγκου.
Λόγω αυτών των εξαιρετικών χαρακτηριστικών των υλικών, το γραφένιο είναι ένα από τα πιο ελπιδοφόρα υλικά και βρίσκεται στο επίκεντρο της έρευνας για τα νανοϋλικά.
Πιθανές εφαρμογές για το γραφένιο
Βιολογικές εφαρμογές: Ένα παράδειγμα για την παρασκευή γραφενίου υπερήχων και τη βιολογική του χρήση δίνεται στη μελέτη "Σύνθεση νανοσύνθετων υλικών γραφενίου-χρυσού μέσω ηχοχημικής αναγωγής" από τους Park et al. (2011), όπου συντέθηκε ένα νανοσύνθετο από νανοσωματίδια μειωμένου οξειδίου του γραφενίου-χρυσού (Au) μειώνοντας ταυτόχρονα τα ιόντα χρυσού και εναποθέτοντας νανοσωματίδια χρυσού στην επιφάνεια του μειωμένου οξειδίου του γραφενίου ταυτόχρονα. Για να διευκολυνθεί η μείωση των ιόντων χρυσού και η δημιουργία λειτουργιών οξυγόνου για την αγκύρωση των νανοσωματιδίων χρυσού στο μειωμένο οξείδιο του γραφενίου, εφαρμόστηκε ακτινοβολία υπερήχων στο μείγμα των αντιδρώντων. Η παραγωγή βιομορίων τροποποιημένων με πεπτίδια χρυσού δείχνει το δυναμικό της υπερηχητικής ακτινοβολίας σύνθετων υλικών γραφενίου και γραφενίου. Ως εκ τούτου, ο υπέρηχος φαίνεται να είναι ένα κατάλληλο εργαλείο για την προετοιμασία άλλων βιομορίων.
Ηλεκτρονικά: Το γραφένιο είναι ένα εξαιρετικά λειτουργικό υλικό για τον ηλεκτρονικό τομέα. Λόγω της υψηλής κινητικότητας των φορέων φόρτισης εντός του πλέγματος του γραφενίου, το γραφένιο παρουσιάζει το μεγαλύτερο ενδιαφέρον για την ανάπτυξη γρήγορων ηλεκτρονικών εξαρτημάτων στην τεχνολογία υψηλής συχνότητας.
Αισθητήρες: Το υπερηχητικά απολεπισμένο γραφένιο μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την παραγωγή εξαιρετικά ευαίσθητων και επιλεκτικών αγμομετρικών αισθητήρων (των οποίων η αντίσταση αλλάζει γρήγορα >10 000% σε κορεσμένους ατμούς αιθανόλης) και υπερπυκνωτές με εξαιρετικά υψηλή ειδική χωρητικότητα (120 F / g), πυκνότητα ισχύος (105 kW / kg) και ενεργειακή πυκνότητα (9,2 Wh / kg). (An et al. 2010)
Αλκοόλ: Για την παραγωγή αλκοόλ: Μια παράπλευρη εφαρμογή μπορεί να είναι η χρήση γραφενίου στην παραγωγή αλκοόλης, εκεί οι μεμβράνες γραφενίου μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να αποστάξουν αλκοόλη και να κάνουν έτσι τα αλκοολούχα ποτά ισχυρότερα.
Ως το ισχυρότερο, πιο ηλεκτρικά αγώγιμο και ένα από τα ελαφρύτερα και πιο εύκαμπτα υλικά, το γραφένιο είναι ένα πολλά υποσχόμενο υλικό για ηλιακές κυψέλες, κατάλυση, διαφανείς και εκπεμπτικές οθόνες, μικρομηχανικά αντηχεία, τρανζίστορ, ως κάθοδος σε μπαταρίες λιθίου-αέρα, για υπερευαίσθητους χημικούς ανιχνευτές, αγώγιμες επιστρώσεις καθώς και τη χρήση ως πρόσθετο σε ενώσεις.
Η αρχή λειτουργίας του υπερήχου υψηλής ισχύος
Όταν κατεργασία με υπερήχους υγρά σε υψηλές εντάσεις, τα ηχητικά κύματα που διαδίδονται στα υγρά μέσα έχουν ως αποτέλεσμα εναλλασσόμενους κύκλους υψηλής πίεσης (συμπίεσης) και χαμηλής πίεσης (αραίωση), με ρυθμούς ανάλογα με τη συχνότητα. Κατά τη διάρκεια του κύκλου χαμηλής πίεσης, τα υψηλής έντασης υπερηχητικά κύματα δημιουργούν μικρές φυσαλίδες κενού ή κενά στο υγρό. Όταν οι φυσαλίδες επιτύχουν έναν όγκο στον οποίο δεν μπορούν πλέον να απορροφήσουν ενέργεια, καταρρέουν βίαια κατά τη διάρκεια ενός κύκλου υψηλής πίεσης. Αυτό το φαινόμενο ονομάζεται σπηλαίωση. Κατά τη διάρκεια της κατάρρευσης πολύ υψηλές θερμοκρασίες (περίπου 5.000K) και πιέσεις (περίπου 2.000atm) επιτυγχάνονται τοπικά. Η κατάρρευση της φυσαλίδας σπηλαίωσης οδηγεί επίσης σε υγρούς πίδακες ταχύτητας έως 280m / s. (Suslick 1998) Η υπερηχητικά παραγόμενη σπηλαίωση προκαλεί χημικές και φυσικές επιδράσεις, οι οποίες μπορούν να εφαρμοστούν σε διαδικασίες.
Η sonochemistry που προκαλείται από σπηλαίωση παρέχει μια μοναδική αλληλεπίδραση μεταξύ ενέργειας και ύλης, με θερμά σημεία μέσα στις φυσαλίδες ~ 5000 K, πιέσεις ~ 1000 bar, ρυθμούς θέρμανσης και ψύξης >1010K s-1; Αυτές οι έκτακτες συνθήκες επιτρέπουν την πρόσβαση σε ένα φάσμα χώρων χημικών αντιδράσεων που κανονικά δεν είναι προσβάσιμοι, γεγονός που επιτρέπει τη σύνθεση μιας ευρείας ποικιλίας ασυνήθιστων νανοδομημένων υλικών. (Κτύπημα 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.
Hielscher Υπέρηχοι κατασκευάζει υψηλής απόδοσης υπερήχων ομογενοποιητές από εργαστήριο προς βιομηχανικό μέγεθος.