Kuidas hajutada üheseinalisi süsiniknanotorusid eraldi

Üheseinalistel süsiniknanotorudel (SWNT või SWCNT) on ainulaadsed omadused, kuid nende avaldumiseks tuleb need hajutada eraldi. Üheseinaliste süsiniknanotorude erakordsete omaduste täielikuks ärakasutamiseks tuleb torud võimalikult täielikult lahti harutada. SWNT-del, nagu ka teistel nanoosakestel, on väga suured tõmbejõud, mistõttu on töökindlaks deaglomeratsiooniks ja hajutamiseks vaja võimsat ja tõhusat meetodit. Kui tavalised segamismeetodid ei anna SWNT-de lahtiharutamiseks vajalikku intensiivsust ilma neid kahjustamata, siis suure võimsusega ultraheli on tõestatud SWCNT-de lahtiharutamisel ja hajutamisel. Ultraheli tekitatud kavitatsioonilised nihkejõud on piisavalt võimsad sidumisjõudude ületamiseks, samal ajal kui ultraheli intensiivsust saab täpselt reguleerida, et vältida SWCNT-de kahjustamist.

Probleem:

Üheseinalised süsiniknanotorud (SWCNT) erinevad mitmeseinalistest süsiniknanotorudest (MWNT/ MWCNT) oma elektriliste omaduste poolest. SWCNT-de keelutsoon võib varieeruda nullist kuni 2 eV-ni ning nende elektrijuhtivus on metalliline või pooljuhtiv. Kuna üheseinalised süsiniknanotorud on väga kohesiivsed, on SWCNT-de töötlemisel üks peamisi takistusi torude loomulik lahustumatus orgaanilistes lahustites või vees. SWCNT-de täieliku potentsiaali kasutamiseks on vaja lihtsat, töökindlat ja skaleeritavat torude deaglomeratsiooniprotsessi. Eriti CNT külgseinte või avatud otste funktsionaliseerimine, et luua sobiv piirpind SWCNT-de ja orgaanilise lahusti vahele, põhjustab SWCNT-de vaid osalise koorumise. Seetõttu hajutatakse SWCNT-d enamasti kimpudena, mitte üksikute deaglomereeritud nööridena. Kui hajutamise tingimused on liiga karmid, lüheneb SWCNT-de pikkus 80 kuni 200nm-ni. Enamiku praktiliste rakenduste jaoks, nt pooljuhtivate või tugevdavate SWCNT-de puhul, on see pikkus liiga väike.

Lahendus:

Ultraheli töötlus (sonikeerimine) on väga tõhus meetod süsiniknanotorude hajutamiseks ja deaglomeratsiooniks, kuna suure intensiivsusega ultrahelilained tekitavad vedelikes kavitatsiooni. Vedelikus leviv helilaine põhjustab vahelduvaid kõrgrõhu- (kokkusurumise) ja madalrõhutsükleid (hõrenemise), mille sagedus sõltub lainesagedusest. Madalrõhutsükli ajal tekitavad suure intensiivsusega ultrahelilained vedelikus väikesi vaakumimulle ehk tühimikke. Kui mullid saavutavad mahu, mille juures nad ei suuda enam energiat neelata, vajuvad nad kõrgrõhutsükli ajal vägivaldselt kokku. Seda nähtust nimetatakse kavitatsiooniks. Implosiooni ajal saavutatakse lokaalselt väga kõrged temperatuurid (u 5 000K) ja rõhud (u 2 000atm). Kavitatsioonimulli implosioon tekitab ka kuni 280m/s kiirusega vedelikujugasid. Need vedelikujoad, mis tekivad ultraheli kavitatsioonist, ületavad süsiniknanotorude vahelised sidumisjõud ja seetõttu nanotorud deaglomereeruvad. Õrn, kontrollitud ultraheli töötlus on sobiv meetod pindaktiivse aine abil stabiliseeritud hajutatud SWCNT-de suspensioonide valmistamiseks suure pikkusega torudega. SWCNT-de kontrollitud tootmiseks võimaldavad Hielscheri ultraheli protsessorid töötada laias ultraheliparameetrite valikus. Ultraheli amplituudi, vedeliku rõhku ja vedeliku koostist saab varieerida vastavalt konkreetsele materjalile ja protsessile. See pakub muutuvaid reguleerimisvõimalusi, näiteks

• sonotroodi amplituudid kuni 170 mikronit
• vedeliku rõhk kuni 10 baari
• vedeliku vooluhulk kuni 15L/min (olenevalt protsessist)
• vedeliku temperatuur kuni 80 degC (muud temperatuurid soovi korral)
• materjali viskoossus kuni 100 000cp

 

Lisaks võimaldab ultraheli töötlus polümeeri abil puhastusmeetodina eemaldada lähtematerjalina sünteesitud SWCNT-dest lisandeid tõhusalt. SWCNT-de keemilist modifitseerimist molekulaarsel tasemel on raske uurida, sest puhaste SWNT-de saamine on keeruline. Sünteesitud SWCNT-d sisaldavad palju lisandeid, näiteks metalliosakesi ja amorfset süsinikku. SWCNT-de ultraheli töötlus monoklorobenseeni (MCB) lahuses, mis sisaldab poly(metüülmetakrülaati) PMMA, millele järgneb filtreerimine, on tõhus viis SWCNT-de puhastamiseks. See polümeeri abil puhastamise meetod võimaldab sünteesitud SWCNT-dest lisandeid tõhusalt eemaldada. Ultraheli töötluse amplituudi täpne reguleerimine võimaldab SWCNT-de kahjustamist vältida või piirata.

Ultraheliseadmed

Hielscher pakub suure jõudlusega ultraheli protsessoreid mis tahes mahu ultraheli töötluseks. Ultraheliseadmed võimsusega 50 vatti kuni 16 000 vatti, mida saab ühendada klastriteks, võimaldavad leida igale rakendusele sobiva ultraheliseadme nii laboris kui ka tööstuses. Nanotorude keerukaks hajutamiseks soovitatakse pidevat ultraheli töötlust. Hielscheri läbivoolukambreid kasutades on võimalik CNT-sid hajutada kõrgendatud viskoossusega vedelikesse, näiteks polümeeridesse, kõrge viskoossusega sulamitesse ja termoplastidesse.

Klõpsake siin, et lugeda lähemalt nanotorude hajutamise ja modifitseerimise kohta suure võimsusega ultraheliga!