Nanotubos de nitruro de boro – Exfoliación y dispersión mediante sonicación

La ultrasonicación se aplica con éxito al procesamiento y la dispersión de nanotubos de nitruro de boro (BNNT). La sonicación de alta intensidad proporciona un desenredo y una distribución homogéneos en diversas soluciones, por lo que es una técnica de procesamiento crucial para incorporar los BNNT a soluciones y matrices.

Procesado ultrasónico de nanotubos de nitruro de boro

Para incorporar nanotubos de nitruro de boro (BNNT) o nanoestructuras de nitruro de boro (BNN), como nanohojas y nanoribbones, en soluciones líquidas o matrices poliméricas, se necesita una técnica de dispersión eficaz y fiable. La dispersión ultrasónica proporciona la energía necesaria para exfoliar, desenredar, dispersar y funcionalizar nanotubos y nanoestructuras de nitruro de boro con gran eficacia. Los parámetros de procesamiento controlables con precisión de los ultrasonidos de alta intensidad (es decir, energía, amplitud, tiempo, temperatura y presión) permiten ajustar individualmente las condiciones de procesamiento al objetivo del proceso. Esto significa que la intensidad de los ultrasonidos puede ajustarse en función de la formulación específica (calidad de los BNT, disolvente, concentración sólido-líquido, etc.), con lo que se obtienen resultados óptimos.

Los nanotubos de nitruro de boro (BNT) pueden sintetizarse mediante sonicación

Vía ultrasónica para sintetizar nanocupas de nitruro de boro
(estudio y gráfico: Yu et al. 2012)

Las aplicaciones del procesamiento ultrasónico de BNNTs y BNNs abarcan toda la gama, desde la dispersión homogénea de nanoestructuras bidimensionales de nitruro de boro (2D-BNNs), hasta su funcionalización y exfoliación química de nitruro de boro hexagonal monocapa. A continuación, presentamos los detalles de la dispersión ultrasónica, la exfoliación y la funcionalización de BNNTs y BNNs.

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Dispersión de nanotubos de nitruro de boro mediante ultrasonidos de alta intensidad de Hielscher Ultrasonics

Instalación de dispersores ultrasónicos (2x UIP1000hdT) para procesar nanotubos de nitruro de boro a escala industrial

Dispersión ultrasónica de nanotubos de nitruro de boro

Cuando se utilizan nanotubos de nitruro de boro (BNT) para reforzar polímeros o sintetizar nuevos materiales, se requiere una dispersión uniforme y fiable en la matriz. Los dispersores ultrasónicos se utilizan mucho para dispersar nanomateriales como CNT, nanopartículas metálicas, partículas con núcleo y otros tipos de nanopartículas en una segunda fase.
La dispersión ultrasónica se ha aplicado con éxito para desenredar y distribuir uniformemente los BNNT en soluciones acuosas y no acuosas, incluyendo etanol, etanol PVP, etanol TX100, así como diversos polímeros (por ejemplo, poliuretano).
Un tensioactivo de uso común para estabilizar una dispersión de BNT preparada por ultrasonidos es una solución de dodecil sulfato sódico (SDS) al 1% en peso. Por ejemplo, 5 mg de BNNT se dispersan por ultrasonidos en un vial con 5 mL de solución de SDS al 1% en peso. SDS utilizando un dispersor ultrasónico tipo sonda como el UP200St (26 kHz, 200 W).

Dispersión acuosa de BNNT mediante ultrasonidos

Debido a sus fuertes interacciones de van der Waals y su superficie hidrofóbica, los nanotubos de nitruro de boro son poco dispersables en soluciones acuosas. Para resolver estos problemas, Jeon et al. (2019) utilizaron Pluronic P85 y F127, que tienen grupos hidrófilos y grupos hidrófobos para funcionalizar BNNT bajo sonicación.

Reducción de longitud y corte de nanotubos de nitruro de boro (BNNTs) mediante ultrasonidos de alta intensidad

Imágenes SEM de los BNNT acortados tras varias duraciones de sonicación. Como se muestra, las longitudes de estos BNNTs disminuyen con el aumento de la duración acumulada de la sonicación.
(estudio e imagen: Lee et al. 2012)

Exfoliación sin tensioactivos de nanohojas de nitruro de boro mediante sonicación

Lin et al. (2011) presentan un método limpio de exfoliación y dispersión de nitruro de boro hexagonal (h-BN). Tradicionalmente se considera que el nitruro de boro hexagonal es insoluble en agua. Sin embargo, lograron demostrar que el agua es eficaz para exfoliar las estructuras estratificadas de h-BN mediante ultrasonidos, formando dispersiones acuosas "limpias" de nanohojas de h-BN sin utilizar tensioactivos ni funcionalización orgánica. Este proceso de exfoliación por ultrasonidos produjo nanohojas de h-BN de pocas capas, así como nanohojas monocapa y especies de nanoribbonos. La mayoría de las nanohojas tenían tamaños laterales reducidos, lo que se atribuyó al corte de las hojas parentales de h-BN inducido por la hidrólisis asistida por sonicación (corroborado por la prueba del amoníaco y los resultados de la espectroscopia). La hidrólisis inducida por ultrasonidos también promovió la exfoliación de las nanohojas de h-BN en asistencia al efecto de polaridad del disolvente. Las nanohojas de h-BN en estas dispersiones acuosas "limpias" mostraron una buena procesabilidad mediante métodos de disolución conservando sus características físicas. Las nanohojas de h-BN dispersas en agua también mostraron una gran afinidad con proteínas como la ferritina, lo que sugiere que las superficies de las nanohojas estaban disponibles para bioconjugaciones posteriores.

Ultrasonicator UP200St (200W) dispersando negro de carbón en agua usando 1%wt Tween80 como surfactante.

Dispersión ultrasónica de negro de humo con el ultrasonicador UP200St

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El método de dispersión sono-mecánica mediante cavitación ultrasónica y fuerzas de cizallamiento es un enfoque de mezcla puramente físico, que ha demostrado ser capaz de desagregar los BNNT y estabilizar los BNNT individuales manteniendo su integridad y propiedades intrínsecas. Aplicando una energía ultrasónica adecuada (Ws/mL), es decir, ajustando la amplitud y la duración de la sonicación, la dispersión ultrasónica puede desenredar y dispersar los BNNTS uniformemente. Si se desea reducir la longitud de los nanotubos de nitruro de boro, pueden aplicarse amplitudes más altas y un tiempo de sonicación más largo. Más información sobre la reducción de tamaño por ultrasonidos y el recorte de la longitud de los BNT en la siguiente sección.

Reducción de tamaño y corte por ultrasonidos de nanotubos de nitruro de boro

The length of boron nitride nanotubes plays a crucial role when it comes to the subsequent processing of BNNTs into polymers and other functionalized materials. Therefore it is an important fact that sonication of the BNNTs in solvent could not only separate BNNTs individually, but also shorten the bamboo structured BNNTs under controlled conditions. The shortened BNNTs have a much lower chance of bundling during composite preparation.Lee at al. (2012) demonstrated that the lengths of functionalized BNNTs can be efficiently shortened from >10µm to ∼500nm by ultrasonication. Their experiments suggest that effective ultrasonic dispersion of BNNT in solution is necessary for such cutting of BNNT size reduction and cutting.

Los nanotubos de nitruro de boro pueden dispersarse eficazmente y reducirse en longitud mediante ultrasonidos de alta intensidad

(c) mPEG- DSPE/BNNT bien disgregados en agua (tras 2 h de sonicación). (d) Esquema representativo de un BNT funcionalizado por una molécula de mPEG-DSPE.
(estudio e imagen: Lee et al. 2012)

La dispersión ultrasónica es una técnica bien establecida para dispersar y exfoliar nanotubos de nitruro de boro.

Homogeneizador ultrasónico UP400St para la dispersión de nanotubos de nitruro de boro (BNNT)

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Ultrasonidos de alto rendimiento para el procesamiento de BNT

Las funciones inteligentes de los ultrasonidos Hielscher están diseñadas para garantizar un funcionamiento fiable, resultados reproducibles y facilidad de uso. Se puede acceder fácilmente a los ajustes operativos y marcarlos mediante un menú intuitivo, al que se puede acceder a través de una pantalla táctil digital en color y un mando a distancia con navegador. Así, todas las condiciones de procesamiento, como la energía neta, la energía total, la amplitud, el tiempo, la presión y la temperatura, se registran automáticamente en una tarjeta SD integrada. Esto permite revisar y comparar procesos de sonicación anteriores y optimizar el proceso de exfoliación y dispersión de nanotubos y nanomateriales de nitruro de boro con la máxima eficacia.
Los sistemas de ultrasonidos de Hielscher se utilizan en todo el mundo para la fabricación de BNT de alta calidad. Los ultrasonidos industriales de Hielscher pueden generar fácilmente amplitudes elevadas en funcionamiento continuo (24/7/365). Amplitudes de hasta 200µm pueden ser fácilmente generadas de forma continua con sonotrodos estándar (sondas ultrasónicas / cuernos). Para amplitudes aún mayores, se dispone de sonotrodos ultrasónicos personalizados. Debido a su robustez y bajo mantenimiento, nuestros sistemas de exfoliación y dispersión por ultrasonidos se instalan habitualmente en aplicaciones de gran resistencia y en entornos exigentes.
Hielscher Ultrasonics’ Los procesadores ultrasónicos industriales pueden proporcionar amplitudes muy elevadas. Amplitudes de hasta 200µm pueden funcionar fácilmente de forma continua en funcionamiento 24/7. Para amplitudes aún mayores, hay disponibles sonotrodos ultrasónicos personalizados.
Los procesadores ultrasónicos de Hielscher para la dispersión y exfoliación de nanotubos de nitruro de boro, así como de CNT y grafeno, ya están instalados en todo el mundo a escala comercial. Póngase en contacto con nosotros para hablar de su proceso de fabricación de BNNT. Nuestro experimentado personal estará encantado de facilitarle más información sobre el proceso de exfoliación, los sistemas ultrasónicos y los precios.
En la siguiente tabla encontrará algunas indicaciones sobre la capacidad de procesamiento aproximada de nuestros sonicadores:

Volumen del lote Tasa de flujo Dispositivos recomendados
1 a 500 mL 10 a 200 mL/min. UP100H
10 a 2000 mL 20 a 400 mL/min. UP200Ht, UP400St
0,1 a 20 L 0,2 a 4 L/min UIP2000hdT
10 a 100 L 2 a 10 L/min UIP4000hdT
n.a. 10 a 100 L/min UIP16000
n.a. mayor Grupo de UIP16000

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Los homogeneizadores ultrasónicos de alto cizallamiento se utilizan en procesos de laboratorio, de sobremesa, piloto e industriales.

Hielscher Ultrasonics fabrica homogeneizadores ultrasónicos de alto rendimiento para aplicaciones de mezcla, dispersión, emulsificación y extracción a escala de laboratorio, piloto e industrial.



Literatura / Referencias

Información interesante

Nanotubos y nanomateriales de nitruro de boro

Los nanotubos de nitruro de boro ofrecen una estructura atómica única formada por átomos de boro y nitrógeno dispuestos en una red hexagonal. Esta estructura confiere a los BNNT numerosas propiedades intrínsecas excelentes, como una resistencia mecánica superior, alta conductividad térmica, comportamiento aislante eléctrico, propiedad piezoeléctrica, capacidad de blindaje neutrónico y resistencia a la oxidación. La brecha de banda de 5 eV también puede ajustarse utilizando campos eléctricos transversales, lo que hace que los BNT sean interesantes para los dispositivos electrónicos. Además, los BNTs tienen una alta resistencia a la oxidación hasta 800°C, muestran una excelente piezoelectricidad y podrían ser un buen material de almacenamiento de hidrógeno a temperatura ambiente.

BNNT frente a grafeno: los BNNT son los análogos estructurales del grafeno. La principal diferencia entre los nanomateriales basados en nitruro de boro y sus homólogos basados en carbono es la naturaleza de los enlaces entre los átomos. El enlace C-C en los nanomateriales de carbono tiene un carácter covalente puro, mientras que los enlaces B-N presentan un carácter parcialmente iónico debido a los pares e en el B-N hibridizado sp2. (cf. Emanet et al. 2019)

BNNT frente a nanotubos de carbono: Los nanotubos de nitruro de boro (BNNT) presentan una nanoestructura tubular similar a la de los nanotubos de carbono (CNT) en la que los átomos de boro y nitrógeno se disponen en una red hexagonal.

Xenos: Los xenos son nanomateriales monoelementales en 2D. Algunos ejemplos destacados son el borofeno, el galleneno, el siliceno, el germaneno, el staneno, el fosforeno, el arseneno, el antimoneno, el bismuteno, el telureno y el seleneno. Los xenos tienen unas propiedades materiales extraordinarias, lo que les confiere el potencial de superar las limitaciones de las aplicaciones prácticas de otros materiales 2D. Más información sobre la exfoliación ultrasónica de los xenos


Ultrasonidos de alto rendimiento La gama de productos de Hielscher cubre todo el espectro, desde el ultrasonicador compacto de laboratorio, pasando por las unidades de sobremesa, hasta los sistemas de ultrasonidos totalmente industriales.

Hielscher Ultrasonics fabrica homogeneizadores ultrasónicos de alto rendimiento de laboratorio a tamaño industrial.


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