Xenide ultraheli koorimine

Xeenid on 2D monoelementsed nanomaterjalid erakordsete omadustega, nagu väga suur eripind ning anisotroopsed füüsikalised / keemilised omadused, sealhulgas suurepärane elektrijuhtivus või tõmbetugevus. Ultraheli koorimine ehk delaminatsioon on tõhus ja usaldusväärne meetod üksikkihiliste 2D nanolehtede tootmiseks kihilistest lähtematerjalidest. Ultraheli koorimine on tööstuslikus mastaabis kvaliteetsete xeenide nanolehtede tootmiseks juba kinnistunud.

Xeenid – monokihilised nanostruktuurid

Xeenid on monokihilised (2D), monoelemendilised nanomaterjalid, millel on grafeenilaadne struktuur, kihisisene kovalentne side ja nõrgad van der Waalsi jõud kihtide vahel. Xeenide klassi kuuluvate materjalide näideteks on boreen, siliseen, germaneen, staneen, fosforeen (must fosfor), arseneen, vismutiin ja telluureen ning antimoneen. Tänu üksikkihilisele 2D struktuurile iseloomustab xeenide nanomaterjale väga suur pind ning paranenud keemiline ja füüsikaline reaktsioonivõime. Need struktuuriomadused annavad xeenide nanomaterjalidele muljetavaldavad fotoonilised, katalüütilised, magnetilised ja elektroonilised omadused ning muudavad need nanostruktuurid väga huvitavaks paljude tööstuslike rakenduste jaoks. Vasakpoolsel pildil on ultraheliga koorutud boreeni SEM-kujutised.

Xeenide nanomaterjalide tootmine ultraheli delaminatsiooni abil

Kihiliste nanomaterjalide vedelfaasiline koorimine: Üksikkihilised 2D nanolehed valmistatakse kihilise struktuuriga anorgaanilistest materjalidest (nt grafiit), mis koosnevad lõdvalt kuhjatud peremeeskihtidest, mille kihtidevaheline vahe laieneb ehk mis paisuvad teatud ioonide ja/või lahustite interkalatsioonil. Koorimine, mille käigus kihiline faas lõhustatakse nanolehtedeks, kaasneb tavaliselt paisumisega, kuna kihtidevahelised elektrostaatilised tõmbejõud nõrgenevad kiiresti, mille tulemusena tekivad üksikute 2D kihtide ehk lehtede kolloidsed dispersioonid. (vt Geng et al, 2013) Üldiselt on teada, et paisumine soodustab koorimist ultraheli töötlusega ja annab tulemuseks negatiivselt laetud nanolehed. Keemiline eeltöötlus soodustab koorimist samuti sonikeerimisel lahustites. Näiteks võimaldab funktsionaliseerimine koorida kihilisi kaksikhüdroksiide (LDH) alkoholides. (vt Nicolosi et al., 2013)
Ultraheli koorimiseks / delaminatsiooniks puutub kihiline materjal lahustis kokku võimsate ultraheelainetega. Kui suure energiatihedusega ultraheelained juhitakse vedelikku või suspensiooni, tekib akustiline ehk ultraheli kavitatsioon. Ultraheli kavitatsiooni iseloomustab vaakumimullide kollapseerumine. Ultraheelained levivad läbi vedeliku ja tekitavad vahelduvaid madalrõhu- / kõrgrõhutsükleid. Pisikesed vaakumimullid tekivad madalrõhu- (hõrenemis-) tsükli ajal ja kasvavad mitme madalrõhu- / kõrgrõhutsükli jooksul. Kui kavitatsioonimull jõuab punkti, kus see ei suuda enam energiat neelata, variseb mull vägivaldselt kokku ja tekitab lokaalselt väga suure energiatihedusega tingimused. Kavitatsiooniline kuumpunkt iseloomustub väga kõrgete rõhkude ja temperatuuriga, vastavate rõhu- ja temperatuurierinevustega, suure kiirusega vedelikujugadega ning nihkejõududega. Need sonomehaanilised ja sonokeemilised jõud suruvad lahusti kuhjatud kihtide vahele ning lõhuvad kihilised osakeste- ja kristallstruktuurid, tekitades seeläbi koorutud nanolehti. Allolev pildijada näitab koorimisprotsessi ultraheli kavitatsiooni toimel.

Kiire kaadrijada (a-st f-ni), mis illustreerib grafiithelbe sonomehaanilist koorimist vees, kasutades UP200S, 200W sonikaatorit, mille sonotrood on 3 mm. Nooled näitavad lõhenemise (koorimise) kohta, kus kavitatsioonimullid tungivad lõhesse.
© Tyurnina et al. 2020 (CC BY-NC-ND 4.0)

Modelleerimine on näidanud, et kui lahusti pindenergia on sarnane kihilise materjali pindenergiaga, on energiavahe koorutud ja uuesti agregeerunud oleku vahel väga väike, mis kaotab uuesti agregeerumise liikumapaneva jõu. Võrreldes alternatiivsete segamis- ja nihkemeetoditega pakkusid ultraheli segistid koorimiseks tõhusamat energiaallikat, mis viis ioonide interkalatsiooniga toetatud koorimise demonstreerimiseni TaS₂, NbS₂ ja MoS₂, samuti kihiliste oksiidide puhul. (vrd Nicolosi et al., 2013)

Ultraheli abil vedelikus koorutud nanolehtede TEM-kujutised: (A) grafeeni nanoleht, mis on koorutud sonikeerimise abil lahustis N-metüülpürrolidoon. (B) h-BN nanoleht, mis on koorutud sonikeerimise abil lahustis isopropanool. (C) MoS2 nanoleht, mis on koorutud sonikeerimise abil vesilahuses, mis sisaldab pindaktiivset ainet.
(Uuring ja pildid: ©Nicolosi et al., 2013)

Ultraheli abil vedelikus koorimise protokollid

Xenide ja teiste monokihiliste nanomaterjalide ultraheli abil koorimist ja delamineerimist on teadustöös ulatuslikult uuritud ning see on edukalt üle viidud tööstusliku tootmise etappi. Allpool tutvustame valitud koorimisprotokolle, mis kasutavad sonikeerimist.

Fosforeeni nanohelveste ultraheli abil koorimine

Fosforeen (tuntud ka kui must fosfor, BP) on 2D kihiline, monoelemendiline materjal, mis koosneb fosforiaatomitest.
Passaglia et al. (2018) uurimistöös demonstreeritakse fosforeen − metüülmetakrülaat stabiilsete suspensioonide valmistamist bP sonikeerimisega toetatud vedelfaasilise koorimise (LPE) teel MMA juuresolekul, millele järgneb radikaalpolümerisatsioon. Metüülmetakrülaat (MMA) on vedel monomeer.

Fosforeeni ultraheli abil vedelikus koorimise protokoll

MMA_bPn, NVP_bPn ja Sty_bPn suspensioonid saadi LPE abil ainsa monomeeri juuresolekul. Tüüpilises protseduuris pandi ∼5 mg uhmris hoolikalt purustatud bP katseklaasi ning seejärel lisati kaalutud kogus MMA-d, Sty-d või NVP-d. Monomeeri ja bP suspensiooni sonikeeriti 90 min Hielscher Ultrasonics homogenisaatoriga UP200St (200W, 26kHz), mis oli varustatud sonotroodiga S26d2 (otsa läbimõõt: 2 mm). Ultraheli amplituudi hoiti konstantsena 50% juures, P = 7 W. Kõigil juhtudel kasutati parema soojuse hajutamise tagamiseks jäävanni. Valmis MMA_bPn, NVP_bPn ja Sty_bPn suspensioone puhuti seejärel 15 min N2-ga. Kõiki suspensioone analüüsiti DLS-meetodil ning rH väärtused olid väga lähedased DMSO_bPn omale. Näiteks MMA_bPn suspensiooni (bP sisaldus umbes 1%) iseloomustas rH = 512 ± 58 nm.
Kui teised fosforeeni teaduslikud uuringud teatavad sonikeerimisajast mitu tundi, kasutades ultraheli puhastajat, kõrge keemistemperatuuriga lahusteid ja madalat efektiivsust, siis Passaglia uurimisrühm demonstreerib väga tõhusat ultraheli abil koorimise protokolli, kasutades sondtüüpi sonikaatorit (nimelt Hielscher sonikaator mudel UP200St).

Monokihiliste nanolehtede ultraheli abil koorimine

Boreeni ja ruteeniumoksiidi nanolehtede täpsemate üksikasjade ja koorimisprotokollide lugemiseks järgige palun allolevaid linke:
Borofeen: Borofeeni ultraheli abil koorimise sonikeerimisprotokollide ja tulemuste kohta vaadake siit!
RuO2: Ruteeniumoksiidi nanolehtede ultraheli abil koorimise sonikeerimisprotokollide ja tulemuste kohta vaadake siit!

Vähekihiliste ränidioksiidi nanolehtede ultraheli abil koorimine

Vähekihilised kooritud ränidioksiidi nanolehed valmistati looduslikust vermikuliidist (Verm) ultraheli abil koorimise (eksfoliatsiooni) teel. Kooritud ränidioksiidi nanolehtede sünteesiks rakendati järgmist vedelfaasilist eksfoliatsioonimeetodit: 40 mg ränidioksiidi nanolehti dispergeeriti 40 mL absoluutses etanoolis. Seejärel töödeldi segu ultrahelega 2 h Hielscheri ultraheliprotsessoriga UP200St, mis oli varustatud 7 mm sonotroodiga. Ultrahelilaine amplituud hoiti konstantsena 70% juures. Ülekuumenemise vältimiseks kasutati jäävanni. Koorimata SN eemaldati tsentrifuugimisega kiirusel 1000 rpm 10 min jooksul. Lõpuks dekanteeriti produkt ja kuivatati toatemperatuuril vaakumis üleöö. (vrd Guo et al., 2022)

Võimsad ultrahelisondid ja reaktorid ksenide nanolehtede eksfoliatsiooniks

Hielscher Ultrasonics projekteerib, valmistab ja turustab töökindlaid ning usaldusväärseid sonikaatoreid igas suuruses. Kompaktsetest laboriseadmetest tööstuslike ultrahelisondide ja reaktoriteni – Hielscher pakub teie protsessi jaoks ideaalset ultraheli süsteemi. Pikaajalise kogemuse tõttu sellistes rakendustes nagu nanomaterjalide süntees ja dispergeerimine soovitab meie hästi koolitatud personal teile teie nõuetele kõige sobivama seadistuse. Hielscher tööstuslikud ultraheliprotsessorid on tuntud kui töökindlad tööhobused tööstusrajatistes. Kuna Hielscher sonikaatorid suudavad tagada väga suuri amplituude, sobivad need ideaalselt suure jõudlusega rakendusteks, näiteks ksenide ja teiste 2D monokihiliste nanomaterjalide, nagu boreen, fosforeen või grafeen, sünteesiks ning nende nanostruktuuride usaldusväärseks dispergeerimiseks.
Erakordselt võimas ultraheli: Hielscher Ultrasonicsi tööstuslikud ultraheliprotsessorid suudavad tagada väga suuri amplituude. Kuni 200 µm amplituudidega saab hõlpsasti pidevalt töötada ööpäevaringses 24/7 režiimis. Veelgi suuremate amplituudide jaoks on saadaval eritellimusel valmistatud ultraheli sonotroodid.
Kõrgeim kvaliteet – projekteeritud ja valmistatud Saksamaal: Kogu seadmestik on projekteeritud ja valmistatud meie peakontoris Saksamaal. Enne kliendile tarnimist testitakse iga ultraheliseadet hoolikalt täiskoormusel. Püüame tagada klientide rahulolu ja meie tootmine on üles ehitatud kõrgeima kvaliteedi tagamise nõuete täitmiseks (nt ISO sertifitseerimine).

Alljärgnev tabel annab ülevaate meie sonikaatorite ligikaudsest töötlemismahust: