Nanoplaquetas de grafeno sintetizadas y dispersadas mediante sonicación con sonda

Las nanoplaquetas de grafeno (GNPs) pueden sintetizarse y dispersarse con gran eficiencia y fiabilidad mediante sonicadores. La ultrasonicación de alta intensidad se utiliza para exfoliar el grafito y obtener grafeno de pocas capas, a menudo denominado nanoplaquetas de grafeno. La sonicación también destaca por lograr una excelente distribución de las nanoplaquetas de grafeno en suspensiones tanto de baja como de alta viscosidad.

Procesamiento de nanoplaquetas de grafeno – Resultados superiores con sonicación

Para el procesamiento de nanoplaquetas de grafeno, los sonicadores de sonda son la herramienta más eficiente, fiable y fácil de usar. Dado que la ultrasonicación puede aplicarse a la síntesis, dispersión y funcionalización de nanoplaquetas de grafeno, los sonicadores se utilizan en numerosas aplicaciones relacionadas con el grafeno:

• Exfoliación y síntesis Los sonicadores de sonda se utilizan para exfoliar el grafito y obtener grafeno de pocas capas o nanoplaquetas de grafeno. La ultrasonicación de alta intensidad rompe las fuerzas entre capas y descompone el grafito en láminas individuales de grafeno más pequeñas.
• Dispersión: Lograr una dispersión uniforme de las nanoplaquetas de grafeno en un medio líquido es fundamental para todas las aplicaciones relacionadas con el grafeno. Los sonicadores de sonda pueden dispersar las nanoplaquetas de manera uniforme por todo el líquido, evitando la aglomeración y garantizando una suspensión estable.
• Funcionalización: La sonicación facilita la funcionalización de las nanoplaquetas de grafeno al favorecer la unión de grupos funcionales o moléculas a sus superficies. Esta funcionalización mejora su compatibilidad con polímeros o materiales específicos.

Síntesis de nanoplaquetas de grafeno mediante sonicación

Las nanoplaquetas de grafeno pueden sintetizarse mediante la exfoliación del grafito asistida por ultrasonidos. Para ello, se somete una suspensión de grafito a sonicación con un homogeneizador ultrasónico de sonda. Este procedimiento se ha probado con concentraciones de sólidos desde muy bajas (p. ej., 4wt% o menos) hasta altas (p. ej., 10wt% o más).
 
Ghanem y Rehim (2018) describen la exfoliación ultrasónica del grafito en agua con la ayuda de dodecilbencenosulfonato de sodio (SDS) para preparar nanoplaquetas de grafeno dispersas. El uso del sonicador de sonda UP 100H permitió preparar con éxito grafeno de pocas capas sin defectos (>5). Se utilizó el siguiente precursor: se prepararon nanoláminas de grafeno reducido mediante el método Hummer y se trataron con dos pasos adicionales, la oxidación del grafito seguida de la reducción del óxido de grafeno. De este modo, se obtuvieron nanoplaquetas de grafeno dispersas en agua mediante el método de dispersión en disolvente (véase el esquema siguiente). Las capas de grafito se exfoliaron mediante sonicación con el sonicador de sonda UP100H (100 W). Se disolvieron 0,25 g de SDS en 150 mL de agua desionizada y, a continuación, se añadieron 0,5 g de grafito. La solución de grafito se sometió a sonicación durante 12h en un baño de hielo y, después, la suspensión se centrifugó a 686× g durante 30 min para eliminar las partículas grandes. Se descartó el precipitado y el sobrenadante se volvió a centrifugar durante 90 min a 12.600× g. Las nanoplaquetas de grafeno dispersas obtenidas se lavaron a fondo varias veces para eliminar el tensioactivo. Por último, el producto se secó a 60ºC al vacío.

Imágenes de microscopía electrónica de transmisión de alta resolución de nanoláminas de grafeno obtenidas
mediante dispersión en fase acuosa asistida por ultrasonidos y el método Hummer.
(Estudio y gráfico: Ghanem y Rehim, 2018)

¿Cuál es la diferencia entre las láminas de grafeno y las nanoplaquetas?

Tanto las láminas de grafeno como las nanoplaquetas de grafeno son nanomateriales compuestos de grafeno, que consiste en una sola capa de átomos de carbono dispuestos en una red hexagonal. A veces, los términos láminas de grafeno y nanoplaquetas de grafeno se utilizan indistintamente. Sin embargo, desde el punto de vista científico, existen algunas diferencias entre estos nanomateriales de grafeno: la principal diferencia entre las láminas de grafeno y las nanoplaquetas de grafeno radica en su estructura y espesor. Las láminas de grafeno constan de una sola capa de átomos de carbono y son excepcionalmente delgadas, mientras que las nanoplaquetas de grafeno son más gruesas y están compuestas por varias capas de grafeno apiladas. Estas diferencias estructurales pueden influir en sus propiedades y en su idoneidad para aplicaciones específicas. El uso de sonicadores de sonda es una técnica muy eficaz y eficiente para sintetizar, dispersar y funcionalizar tanto láminas de grafeno monocapa como nanoplaquetas de grafeno formadas por unas pocas capas apiladas.

Gráfico que ilustra la síntesis ultrasónica de nanoplaquetas de grafeno con el sonicador UP100H
(Estudio y gráfico: Ghanem y Rehim, 2018)

Dispersión de nanoplaquetas de grafeno mediante sonicación

La dispersión uniforme de las nanoplaquetas de grafeno (GNPs) es fundamental en diversas aplicaciones porque influye directamente en las propiedades y el rendimiento de los materiales o productos resultantes. Por ello, se instalan sonicadores para preparar dispersiones de nanoplaquetas de grafeno en diversas industrias. Las siguientes industrias son ejemplos destacados del uso de ultrasonidos de potencia:
 

• Nanocompuestos: Las nanoplaquetas de grafeno pueden incorporarse a diversos materiales nanocompuestos, como los polímeros, para mejorar sus propiedades mecánicas, eléctricas y térmicas. Los sonicadores de sonda ayudan a dispersar uniformemente las nanoplaquetas dentro de la matriz polimérica, lo que mejora el rendimiento del material.
• Electrodos y baterías: Las nanoplaquetas de grafeno se utilizan en el desarrollo de electrodos de alto rendimiento para baterías y supercondensadores. La sonicación ayuda a crear materiales para electrodos basados en grafeno bien disperso y con una mayor superficie, lo que mejora la capacidad de almacenamiento de energía.
• Catálisis: La sonicación puede utilizarse para preparar materiales catalíticos basados en nanoplaquetas de grafeno. La dispersión uniforme de nanopartículas catalíticas sobre la superficie del grafeno puede mejorar la actividad catalítica en diversas reacciones.
• Sensores: Las nanoplaquetas de grafeno pueden emplearse en la fabricación de sensores para diversas aplicaciones, como la detección de gases, la biodetección y la monitorización ambiental. La sonicación garantiza una distribución homogénea de las nanoplaquetas en los materiales de los sensores, lo que mejora la sensibilidad y el rendimiento.
• Recubrimientos y películas: Los sonicadores de sonda se utilizan para preparar recubrimientos y películas basados en nanoplaquetas de grafeno para aplicaciones en electrónica, en el sector aeroespacial y en recubrimientos protectores. La dispersión uniforme y la adhesión adecuada a los sustratos son fundamentales para estas aplicaciones.
• Aplicaciones biomédicas: En aplicaciones biomédicas, las nanoplaquetas de grafeno pueden utilizarse para la administración de fármacos, la obtención de imágenes y la ingeniería de tejidos. La sonicación ayuda a preparar nanopartículas y materiales compuestos basados en grafeno que se utilizan en estas aplicaciones.

Imágenes SEM de nanoplaquetas de grafeno a (b) X3000 y (c) X8000
(Estudio e imágenes: ©Alizadeh et al., 2018)

Resultados científicamente demostrados para las dispersiones ultrasónicas de nanoplaquetas de grafeno

Los científicos han utilizado sonicadores Hielscher para la síntesis y dispersión de nanoplaquetas de grafeno en numerosos estudios y han evaluado rigurosamente los efectos de la ultrasonicación. A continuación se presentan algunos ejemplos de la incorporación satisfactoria de nanoplaquetas de grafeno a distintas mezclas, como suspensiones acuosas, resinas epoxi o mortero.
 
Un procedimiento habitual para dispersar nanoplaquetas de grafeno de forma fiable, rápida y uniforme es el siguiente:
Para la dispersión, las nanoplaquetas de grafeno se sometieron a sonicación en acetona pura con el mezclador ultrasónico Hielscher UP400S durante casi una hora, a fin de evitar la aglomeración de las láminas de grafeno. La acetona se eliminó por completo mediante evaporación. A continuación, se añadieron las nanoplaquetas de grafeno al sistema epoxi en una proporción de 1 wt % y se sometieron a sonicación en la resina epoxi a 90 W durante 15 minutos.
(véase Cakir et al., 2016)
 
Otro estudio investiga la mejora de nanofluidos basados en líquidos iónicos (ionanofluidos) mediante la adición de nanoplaquetas de grafeno. Para lograr una dispersión superior, la mezcla de nanoplaquetas de grafeno, líquido iónico y dodecilbencenosulfonato de sodio se homogeneizó con el sonicador de sonda Hielscher UP200S durante unos 90 min.
(véase Alizadeh et al., 2018)

 
Tragazikis et al. (2019) describen la incorporación eficaz de nanoplaquetas de grafeno al mortero. Para ello, se prepararon suspensiones acuosas de grafeno añadiendo nanoplaquetas – en cantidades en masa determinadas por los contenidos objetivo deseados en los materiales resultantes – a mezclas de agua corriente y plastificante, seguidas de agitación magnética durante 2 min. Las suspensiones se homogeneizaron mediante ultrasonicación durante 90 min a temperatura ambiente, utilizando un equipo Hielscher UP400S (Hielscher Ultrasonics GmbH) equipado con un sonotrodo de 22 mm que suministraba una potencia de 4500 J/min a una frecuencia de 24 kHz. La combinación específica de tasa de aporte de energía y duración de la sonicación se estableció como óptima tras una investigación minuciosa del efecto de los parámetros de ultrasonicación sobre la calidad de la suspensión.
(véase Tragazikis et al., 2019)
 
Zainal et al. (2018) afirman en su investigación que una técnica de dispersión adecuada, como la sonicación, garantiza que nanomateriales como las nanoplaquetas de grafeno puedan mejorar las propiedades de los materiales de relleno. Esto se debe a que la dispersión es uno de los factores más importantes para la producción de nanocompuestos de alta calidad, como el mortero epoxi.

Sonicadores de alto rendimiento para el procesamiento de nanoplaquetas de grafeno

Hielscher Ultrasonics es líder del mercado en ultrasonicadores de alto rendimiento para el procesamiento de nanomateriales. Los sonicadores de sonda Hielscher se utilizan en todo el mundo en laboratorios y entornos industriales para diversas aplicaciones, incluido el procesamiento de nanoplaquetas de grafeno.
La tecnología de vanguardia, la fabricación y la ingeniería alemanas, junto con una larga experiencia técnica, hacen de Hielscher Ultrasonics su socio preferente para aplicar ultrasonidos con éxito.

Diseño, fabricación y asesoramiento – Calidad fabricada en Alemania

Los ultrasonicadores Hielscher son reconocidos por sus máximos estándares de calidad y diseño. Su robustez y facilidad de manejo permiten integrar nuestros ultrasonicadores sin dificultades en instalaciones industriales. Los ultrasonicadores Hielscher soportan sin problemas condiciones adversas y entornos exigentes.

Hielscher Ultrasonics es una empresa con certificación ISO y presta especial atención a los ultrasonicadores de alto rendimiento que incorporan tecnología de vanguardia y ofrecen facilidad de uso. Por supuesto, los ultrasonicadores Hielscher cumplen la normativa CE y los requisitos de UL, CSA y RoHs.

La siguiente tabla ofrece una orientación sobre la capacidad de procesamiento aproximada de nuestros ultrasonicadores: