Exfoliación ultrasónica de xenos

Los xenos son nanomateriales monoelementales 2D con propiedades extraordinarias, como una superficie específica muy elevada y propiedades físicas / químicas anisotrópicas, entre ellas una conductividad eléctrica o una resistencia a la tracción superiores. La exfoliación o delaminación ultrasónica es una técnica eficiente y fiable para producir nanoláminas 2D de una sola capa a partir de materiales precursores laminares. La exfoliación ultrasónica ya está consolidada para la producción de nanoláminas de xenos de alta calidad a escala industrial.

Xenos – Nanoestructuras monocapa

Los xenos son nanomateriales monoelementales monocapa (2D) que presentan una estructura similar a la del grafeno, enlaces covalentes dentro de cada capa y fuerzas de van der Waals débiles entre las capas. Algunos ejemplos de materiales pertenecientes a la clase de los xenos son el borofeno, el siliceno, el germaneno, el estaneno, el fosforeno (fósforo negro), el arseneno, el bismuteno, el telureno y el antimoneno. Debido a su estructura 2D de una sola capa, los nanomateriales de xenos se caracterizan por una superficie muy extensa y una mayor reactividad química y física. Estas características estructurales confieren a los nanomateriales de xenos propiedades fotónicas, catalíticas, magnéticas y electrónicas extraordinarias y hacen que estas nanoestructuras resulten muy interesantes para numerosas aplicaciones industriales. La imagen de la izquierda muestra imágenes de microscopía electrónica de barrido (SEM) de borofeno exfoliado por ultrasonidos.

Producción de nanomateriales de xenos mediante delaminación ultrasónica

Exfoliación en medio líquido de nanomateriales laminares: Las nanoláminas 2D de una sola capa se producen a partir de materiales inorgánicos con estructuras laminares (p. ej., grafito), constituidos por capas anfitrionas apiladas y débilmente unidas entre sí, que presentan una expansión de los espacios interlaminares o un hinchamiento al intercalar determinados iones y/o disolventes. La exfoliación, en la que la fase laminar se divide en nanoláminas, suele acompañar al hinchamiento debido al rápido debilitamiento de las atracciones electrostáticas entre las capas, lo que produce dispersiones coloidales de las capas o láminas 2D individuales. (cf. Geng et al, 2013) En general, se sabe que el hinchamiento facilita la exfoliación mediante ultrasonidos y da lugar a nanoláminas con carga negativa. El pretratamiento químico también facilita la exfoliación mediante sonicación en disolventes. Por ejemplo, la funcionalización permite exfoliar hidróxidos dobles laminares (LDHs) en alcoholes. (cf. Nicolosi et al., 2013)
Para la exfoliación / delaminación ultrasónica, el material laminar se expone a ondas ultrasónicas potentes en un disolvente. Cuando se acoplan ondas ultrasónicas de alta densidad energética a un líquido o una suspensión, se produce cavitación acústica, también denominada cavitación ultrasónica. La cavitación ultrasónica se caracteriza por el colapso de burbujas de vacío. Las ondas ultrasónicas se propagan por el líquido y generan ciclos alternos de baja presión / alta presión. Las diminutas burbujas de vacío se forman durante un ciclo de baja presión (rarefacción) y crecen a lo largo de varios ciclos de baja presión / alta presión. Cuando una burbuja de cavitación alcanza el punto en el que ya no puede absorber más energía, implosiona violentamente y genera condiciones locales de muy alta densidad energética. Un punto caliente de cavitación se caracteriza por presiones y temperaturas muy elevadas, sus respectivos diferenciales de presión y temperatura, chorros de líquido a alta velocidad y fuerzas de cizallamiento. Estas fuerzas sonomecánicas y sonoquímicas impulsan el disolvente entre las capas apiladas y desintegran las estructuras laminares de partículas y cristales, produciendo así nanoláminas exfoliadas. La secuencia de imágenes que aparece a continuación muestra el proceso de exfoliación mediante cavitación ultrasónica.

Secuencia de fotogramas a alta velocidad (de a a f) que ilustra la exfoliación sonomecánica de una escama de grafito en agua utilizando el UP200S, un sonicador de 200 W con un sonotrodo de 3-mm. Las flechas muestran el lugar de separación (exfoliación), con burbujas de cavitación que penetran en la abertura.
© Tyurnina et al. 2020 (CC BY-NC-ND 4.0)

La modelización ha demostrado que, si la energía superficial del disolvente es similar a la del material laminar, la diferencia de energía entre los estados exfoliado y reagregado será muy pequeña, lo que elimina la fuerza impulsora de la reagregación. En comparación con otros métodos de agitación y cizallamiento, los agitadores ultrasónicos proporcionaron una fuente de energía más eficaz para la exfoliación, lo que permitió demostrar la exfoliación asistida por intercalación de iones de TaS₂, NbS₂ y MoS₂, así como de óxidos laminares. (cf. Nicolosi et al., 2013)

Imágenes de microscopía electrónica de transmisión (TEM) de nanoláminas exfoliadas en medio líquido mediante ultrasonidos: (A) Una nanolámina de grafeno exfoliada mediante sonicación en el disolvente N-metilpirrolidona. (B) Una nanolámina de h-BN exfoliada mediante sonicación en el disolvente isopropanol. (C) Una nanolámina de MoS2 exfoliada mediante sonicación en una solución acuosa de tensioactivo.
(Estudio e imágenes: ©Nicolosi et al., 2013)

Protocolos de exfoliación ultrasónica en medio líquido

La exfoliación y delaminación ultrasónica de xenos y otros nanomateriales monocapa se ha estudiado ampliamente en el ámbito de la investigación y se ha transferido con éxito a la producción industrial. A continuación, presentamos una selección de protocolos de exfoliación mediante sonicación.

Exfoliación ultrasónica de nanoescamas de fosforeno

El fosforeno (también conocido como fósforo negro, BP) es un material monoelemental laminar 2D formado por átomos de fósforo.
En la investigación de Passaglia et al. (2018), se demuestra la preparación de suspensiones estables de fosforeno − metacrilato de metilo mediante exfoliación en fase líquida (LPE) de bP asistida por sonicación en presencia de MMA, seguida de polimerización radicalaria. El metacrilato de metilo (MMA) es un monómero líquido.

Protocolo de exfoliación ultrasónica de fosforeno en medio líquido

Las suspensiones MMA_bPn, NVP_bPn y Sty_bPn se obtuvieron mediante LPE en presencia únicamente del monómero. En un procedimiento típico, se introdujeron ∼5 mg de bP, cuidadosamente triturado en un mortero, en un tubo de ensayo y, a continuación, se añadió una cantidad pesada de MMA, Sty o NVP. La suspensión de bP en el monómero se sonicó durante 90 min utilizando un homogeneizador UP200St de Hielscher Ultrasonics (200 W, 26 kHz), equipado con el sonotrodo S26d2 (diámetro de la punta: 2 mm). La amplitud ultrasónica se mantuvo constante al 50% con P = 7 W. En todos los casos, se utilizó un baño de hielo para mejorar la disipación del calor. A continuación, se insufló N2 en las suspensiones finales MMA_bPn, NVP_bPn y Sty_bPn durante 15 min. Todas las suspensiones se analizaron mediante DLS y mostraron valores de rH muy próximos al de DMSO_bPn. Por ejemplo, la suspensión MMA_bPn (con un contenido de bP de aproximadamente 1%) se caracterizó por rH = 512 ± 58 nm.
Mientras que otros estudios científicos sobre el fosforeno indican tiempos de sonicación de varias horas utilizando equipos de limpieza por ultrasonidos y disolventes de alto punto de ebullición, con una baja eficiencia, el equipo de investigación de Passaglia demuestra un protocolo de exfoliación ultrasónica muy eficiente utilizando un sonicador de sonda (concretamente, el sonicador Hielscher modelo UP200St).

Exfoliación ultrasónica de nanoláminas monocapa

Para consultar detalles más específicos y protocolos de exfoliación de nanoláminas de borofeno y óxido de rutenio, siga los enlaces que aparecen a continuación:
Borofeno: ¡Haga clic aquí para consultar los protocolos de sonicación y los resultados de la exfoliación ultrasónica de borofeno!
RuO2: ¡Haga clic aquí para consultar los protocolos de sonicación y los resultados de la exfoliación ultrasónica de nanoláminas de óxido de rutenio!

Exfoliación ultrasónica de nanoláminas de sílice de pocas capas

Se prepararon nanoláminas exfoliadas de sílice de pocas capas a partir de vermiculita natural (Verm) mediante exfoliación ultrasónica. Para la síntesis de nanoláminas exfoliadas de sílice se aplicó el siguiente método de exfoliación en fase líquida: se dispersaron 40 mg de nanoláminas de sílice en 40 mL de etanol absoluto. A continuación, la mezcla se sometió a ultrasonidos durante 2 h utilizando un procesador ultrasónico Hielscher UP200St, equipado con un sonotrodo de 7 mm. La amplitud de la onda ultrasónica se mantuvo constante al 70%. Se utilizó un baño de hielo para evitar el sobrecalentamiento. Las SN sin exfoliar se eliminaron mediante centrifugación a 1000 rpm durante 10 min. Por último, el producto se decantó y se secó a temperatura ambiente bajo vacío durante toda la noche. (cf. Guo et al., 2022)

Sondas y reactores ultrasónicos de alta potencia para la exfoliación de nanoláminas de xenos

Hielscher Ultrasonics diseña, fabrica y distribuye sonicadores robustos y fiables de todos los tamaños. Desde equipos ultrasónicos compactos de laboratorio hasta sondas y reactores ultrasónicos industriales, Hielscher dispone del sistema ultrasónico ideal para su proceso. Gracias a nuestra amplia experiencia en aplicaciones como la síntesis y dispersión de nanomateriales, nuestro personal cualificado le recomendará la configuración más adecuada para sus necesidades. Los procesadores ultrasónicos industriales Hielscher son conocidos por su fiabilidad y capacidad de trabajo en instalaciones industriales. Capaces de proporcionar amplitudes muy elevadas, los sonicadores Hielscher son ideales para aplicaciones de alto rendimiento, como la síntesis de xenos y otros nanomateriales monocapa 2D, como el borofeno, el fosforeno o el grafeno, así como para la dispersión fiable de estas nanoestructuras.
Ultrasonidos extraordinariamente potentes: Los procesadores ultrasónicos industriales de Hielscher Ultrasonics pueden proporcionar amplitudes muy elevadas. Pueden funcionar fácilmente de forma continua con amplitudes de hasta 200 µm en operación 24/7. Para amplitudes aún mayores, se ofrecen sonotrodos ultrasónicos personalizados.
Máxima calidad – Diseñados y fabricados en Alemania: Todos los equipos se diseñan y fabrican en nuestra sede central en Alemania. Antes de su entrega al cliente, cada equipo ultrasónico se somete a pruebas exhaustivas a plena carga. Nos esforzamos por lograr la satisfacción del cliente y nuestra producción está estructurada para cumplir las exigencias más estrictas de garantía de calidad (p. ej., certificación ISO).

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