Nanotubos de nitruro de boro – Exfoliados y dispersados mediante sonicación

La ultrasonicación se aplica con éxito al procesamiento y la dispersión de nanotubos de nitruro de boro (BNNTs). La sonicación de alta intensidad permite desenredarlos y distribuirlos de manera homogénea en diversas soluciones, por lo que constituye una técnica de procesamiento fundamental para incorporar BNNTs a soluciones y matrices.

Procesamiento ultrasónico de nanotubos de nitruro de boro

Para incorporar nanotubos de nitruro de boro (BNNTs) o nanoestructuras de nitruro de boro (BNNs), como nanoláminas y nanocintas, a soluciones líquidas o matrices poliméricas, se requiere 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 eficiencia. Los parámetros de procesamiento de los ultrasonidos de alta intensidad (es decir, energía, amplitud, tiempo, temperatura y presión), que pueden controlarse con precisión, permiten ajustar individualmente las condiciones de procesamiento al objetivo del proceso. Esto significa que la intensidad ultrasónica puede ajustarse en función de la formulación específica (calidad de los BNNTs, disolvente, concentración sólido-líquido, etc.), obteniendo así resultados óptimos.

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

Dispersión ultrasónica de nanotubos de nitruro de boro

Cuando se utilizan nanotubos de nitruro de boro (BNNTs) para reforzar polímeros o sintetizar nuevos materiales, se requiere una dispersión uniforme y fiable en la matriz. Los dispersores ultrasónicos se utilizan ampliamente para dispersar nanomateriales como CNTs, nanopartículas metálicas, partículas de núcleo-capa y otros tipos de nanopartículas en una segunda fase.
La dispersión ultrasónica se ha aplicado con éxito para desenredar y distribuir uniformemente BNNTs en soluciones acuosas y no acuosas, incluidas soluciones de etanol, PVP en etanol y TX100 en etanol, así como en diversos polímeros (p. ej., poliuretano).
Una solución de dodecilsulfato de sodio (SDS) al 1%wt es un tensioactivo de uso habitual para estabilizar una dispersión de BNNTs preparada mediante ultrasonidos. Por ejemplo, se dispersan por ultrasonidos 5 mg de BNNTs en un vial con 5 mL de solución de SDS al 1%wt. utilizando un dispersor ultrasónico de tipo sonda, como el UP200St (26 kHz, 200 W).

Dispersión acuosa de BNNTs mediante ultrasonidos

Debido a sus fuertes interacciones de van der Waals y a su superficie hidrófoba, los nanotubos de nitruro de boro presentan una baja dispersabilidad en soluciones acuosas. Para resolver estos problemas, Jeon et al. (2019) utilizaron Pluronic P85 y F127, que contienen tanto grupos hidrófilos como hidrófobos, para funcionalizar BNNTs durante la sonicación.

Exfoliación de nanoláminas de nitruro de boro sin tensioactivos mediante sonicación

Lin et al. (2011) presentan un método limpio de exfoliación y dispersión de nitruro de boro hexagonal (h-BN). Tradicionalmente, el nitruro de boro hexagonal se considera insoluble en agua. Sin embargo, pudieron demostrar que el agua resulta eficaz para exfoliar las estructuras laminares de h-BN mediante ultrasonicación, formando dispersiones acuosas «limpias» de nanoláminas de h-BN sin utilizar tensioactivos ni funcionalización orgánica. Este proceso de exfoliación ultrasónica produjo nanoláminas de h-BN de pocas capas, así como nanoláminas y nanocintas monocapa. La mayoría de las nanoláminas presentaban dimensiones laterales reducidas, lo que se atribuyó al corte de las láminas originales de h-BN inducido por la hidrólisis asistida por sonicación (corroborado por la prueba de amoníaco y los resultados de espectroscopía). La hidrólisis inducida por ultrasonidos también favoreció la exfoliación de las nanoláminas de h-BN, apoyando la acción del efecto de la polaridad del disolvente en este proceso. Las nanoláminas de h-BN presentes en estas dispersiones acuosas «limpias» mostraron una buena procesabilidad mediante métodos en solución, conservando sus características físicas. Las nanoláminas de h-BN dispersadas en agua también mostraron una fuerte afinidad por proteínas como la ferritina, lo que sugiere que sus superficies estaban disponibles para posteriores bioconjugaciones.

El método de dispersión sonomecánica mediante cavitación ultrasónica y fuerzas de cizallamiento es un procedimiento de mezcla puramente físico que ha demostrado ser capaz de separar los BNNTs agrupados en haces y estabilizar BNNTs individuales, manteniendo su integridad y sus propiedades intrínsecas. Al aplicar una energía ultrasónica adecuada (Ws/mL), es decir, al ajustar la amplitud y la duración de la sonicación, la dispersión ultrasónica permite desenredar y dispersar BNNTS de manera uniforme. Pueden aplicarse amplitudes más altas y tiempos de sonicación más largos si se desea reducir la longitud de los nanotubos de nitruro de boro. En la siguiente sección encontrará más información sobre la reducción de tamaño de los BNNTs y su corte para reducir su longitud mediante ultrasonidos.

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

La longitud de los nanotubos de nitruro de boro desempeña un papel fundamental en el procesamiento posterior de BNNTs para su incorporación a polímeros y otros materiales funcionalizados. Por tanto, es importante destacar que la sonicación de los BNNTs en un disolvente podría no solo separarlos individualmente, sino también acortar los BNNTs con estructura de bambú en condiciones controladas. Los BNNTs acortados tienen una probabilidad mucho menor de formar haces durante la preparación de materiales compuestos. Lee at al. (2012) demostraron que la longitud de los BNNTs funcionalizados puede reducirse eficazmente de >10 µm a ∼500 nm mediante ultrasonicación. Sus experimentos sugieren que una dispersión ultrasónica eficaz de BNNT en solución es necesaria para este tipo de reducción de tamaño y corte de BNNT.

Sonicadores de alto rendimiento para el procesamiento de BNNTs

Las funciones inteligentes de los sonicadores Hielscher están diseñadas para garantizar un funcionamiento fiable, resultados reproducibles y facilidad de uso. Los ajustes operativos pueden consultarse y configurarse fácilmente mediante un menú intuitivo, accesible desde una pantalla táctil digital en color y mediante control remoto a través de un 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 ciclos de sonicación anteriores y optimizar el proceso de exfoliación y dispersión de nanotubos de nitruro de boro y nanomateriales para alcanzar la máxima eficiencia.
Los sistemas de Hielscher Ultrasonics se utilizan en todo el mundo para fabricar BNNTs de alta calidad. Los sonicadores industriales Hielscher pueden trabajar fácilmente con amplitudes elevadas en funcionamiento continuo (24/7/365). Con sonotrodos estándar (sondas / bocinas ultrasónicas) pueden generarse fácilmente amplitudes de hasta 200 µm de forma continua. Para amplitudes aún mayores, se ofrecen sonotrodos ultrasónicos personalizados. Gracias a su robustez y a sus reducidas necesidades de mantenimiento, nuestros sistemas de exfoliación y dispersión ultrasónicas se instalan habitualmente en aplicaciones de trabajo intensivo y en entornos exigentes.
Los procesadores ultrasónicos industriales de Hielscher Ultrasonics pueden proporcionar amplitudes muy elevadas. Pueden mantener fácilmente amplitudes de hasta 200 µm de forma continua en funcionamiento 24/7. Para amplitudes aún mayores, se ofrecen sonotrodos ultrasónicos personalizados.
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La siguiente tabla ofrece una orientación sobre la capacidad aproximada de procesamiento de nuestros sonicadores: