چگونه نانولوله‌های کربنی تک‌دیواره را به‌صورت منفرد پراکنده کنیم
نانولوله‌های کربنی تک‌دیواره (SWNTs یا SWCNTs) ویژگی‌های منحصربه‌فردی دارند، اما برای بروز این ویژگی‌ها باید به‌صورت منفرد پراکنده شوند. برای بهره‌گیری کامل از ویژگی‌های استثنایی نانولوله‌های کربنی تک‌دیواره، درهم‌تنیدگی لوله‌ها باید تا حد امکان به‌طور کامل باز شود. SWNTs نیز مانند سایر نانوذرات نیروهای جاذبهٔ بسیار بالایی دارند؛ بنابراین، برای کلوخه‌زدایی و پراکنده‌سازی قابل‌اعتماد، به روشی قدرتمند و کارآمد نیاز است. درحالی‌که روش‌های متداول اختلاط، شدت لازم برای باز کردن درهم‌تنیدگی SWNTs بدون آسیب‌رساندن به آن‌ها را فراهم نمی‌کنند، توانایی فراصوت پرتوان در باز کردن درهم‌تنیدگی و پراکنده‌سازی SWCNTs به اثبات رسیده است. نیروهای برشی ناشی از کاویتاسیونِ ایجادشده با فراصوت، برای غلبه بر نیروهای پیوندی به‌اندازهٔ کافی قدرتمند هستند؛ درعین‌حال، شدت فراصوت را می‌توان به‌دقت تنظیم کرد تا از آسیب‌دیدن SWCNTs جلوگیری شود.
مسئله:
نانولوله‌های کربنی تک‌دیواره (SWCNTs) از نظر خواص الکتریکی با نانولوله‌های کربنی چنددیواره (MWNTs/ MWCNTs) تفاوت دارند. گاف نواری SWCNTs می‌تواند از صفر تا 2 eV متغیر باشد و رسانایی الکتریکی آن‌ها رفتار فلزی یا نیمه‌رسانا نشان می‌دهد. ازآنجاکه نانولوله‌های کربنی تک‌دیواره چسبندگی متقابل زیادی دارند، یکی از موانع اصلی در پردازش SWCNTs، نامحلول‌بودن ذاتی لوله‌ها در حلال‌های آلی یا آب است. برای بهره‌گیری از تمام قابلیت‌های SWCNTs، به فرایندی ساده، قابل‌اعتماد و مقیاس‌پذیر برای کلوخه‌زدایی لوله‌ها نیاز است. به‌ویژه، عامل‌دار کردن دیواره‌های جانبی یا انتهای باز CNT برای ایجاد سطح مشترکی مناسب میان SWCNTs و حلال آلی، تنها به جدایش جزئی SWCNTs منجر می‌شود. بنابراین، SWCNTs عمدتاً به‌صورت دسته‌هایی پراکنده می‌شوند، نه رشته‌های منفرد کلوخه‌زدایی‌شده. اگر شرایط هنگام پراکنده‌سازی بیش‌ازحد شدید باشد، SWCNTs کوتاه می‌شوند و طول آن‌ها به محدودهٔ 80 تا 200nm می‌رسد. برای بیشتر کاربردهای عملی، یعنی کاربرد SWCNTs به‌عنوان نیمه‌رسانا یا تقویت‌کننده، این طول بسیار کم است.
UIP2000hdT، یک دستگاه فراصوت قدرتمند 2kW برای پراکنده‌سازی SWCNTs.
راهکار:
فراصوت‌دهی روشی بسیار مؤثر برای پراکنده‌سازی و کلوخه‌زدایی نانولوله‌های کربنی است، زیرا امواج فراصوت با شدت بالا در مایعات کاویتاسیون ایجاد می‌کنند. امواج صوتی منتشرشده در محیط‌های مایع، چرخه‌های متناوب پرفشار (تراکم) و کم‌فشار (انبساط) را با آهنگی وابسته به فرکانس ایجاد می‌کنند. در چرخهٔ کم‌فشار، امواج فراصوت با شدت بالا حباب‌های کوچک خلأ یا حفره‌هایی در مایع ایجاد می‌کنند. هنگامی‌که حباب‌ها به حجمی می‌رسند که دیگر نمی‌توانند انرژی جذب کنند، طی یک چرخهٔ پرفشار به‌شدت فرو می‌پاشند. این پدیده کاویتاسیون نام دارد. هنگام فروپاشی به درون، دماهای بسیار بالا (حدود 5٬000K) و فشارهای بسیار بالا (حدود 2٬000atm) به‌صورت موضعی ایجاد می‌شوند. فروپاشی حباب کاویتاسیون همچنین جت‌های مایع با سرعتی تا 280m/s ایجاد می‌کند. این جریان‌های جت مایع ناشی از کاویتاسیون فراصوتی، بر نیروهای پیوندی میان نانولوله‌های کربنی غلبه می‌کنند و در نتیجه نانولوله‌ها کلوخه‌زدایی می‌شوند. تیمار فراصوتی ملایم و کنترل‌شده، روشی مناسب برای ایجاد سوسپانسیون‌های پایدارشده با سورفکتانت از SWCNTs پراکنده‌شده با طول زیاد است. برای تولید کنترل‌شدهٔ SWCNTs، پردازشگرهای فراصوتی Hielscher امکان کار با طیف گسترده‌ای از مجموعه تنظیمات پارامترهای فراصوتی را فراهم می‌کنند. دامنهٔ فراصوت، فشار مایع و ترکیب مایع را می‌توان متناسب با ماده و فرایند مشخص تغییر داد. این قابلیت، گزینه‌های متنوعی برای تنظیم فراهم می‌کند، از جمله
- دامنه‌های سونوتْرود تا 170 میکرون
- فشارهای مایع تا 10 bars
- دبی‌های مایع تا 15L/min (بسته به فرایند)
- دماهای مایع تا 80 degC (دماهای دیگر بنا به درخواست)
- گرانروی ماده تا 100٬000cp
تجهیزات فراصوتی
Hielscher عرضه‌کنندهٔ پردازشگرهای فراصوتی با عملکرد بالا برای فراصوت‌دهی هر حجمی است. دستگاه‌های فراصوتی از 50 وات تا 16٬000 وات که قابلیت چیدمان خوشه‌ای دارند، امکان انتخاب دستگاه فراصوت مناسب برای هر کاربرد را هم در آزمایشگاه و هم در صنعت فراهم می‌کنند. برای پراکنده‌سازی دقیق نانولوله‌ها، فراصوت‌دهی پیوسته توصیه می‌شود. با استفاده از سلول‌های جریان Hielscher، پراکنده‌سازی CNTs در مایعات با گرانروی بالا، مانند پلیمرها، مذاب‌های با گرانروی بالا و ترموپلاستیک‌ها امکان‌پذیر می‌شود.
برای مطالعهٔ بیشتر دربارهٔ پراکنده‌سازی و اصلاح نانولوله‌ها با فراصوت پرتوان، اینجا کلیک کنید!
با ما تماس بگیرید! / از ما بپرسید!
تصویربرداری میکروسکوپی از SWNTs پراکنده‌شده با فراصوت.
پراکنده‌سازی فراصوتی نانولوله‌ها (UP400St)
پراکنده‌سازی CNTs با دستگاه آزمایشگاهی Hielscher UP50H
فراصوت با عملکرد بالا! مجموعه محصولات Hielscher تمام طیف تجهیزات، از دستگاه فراصوت آزمایشگاهی جمع‌وجور و واحدهای رومیزی تا سامانه‌های فراصوتی کاملاً صنعتی را پوشش می‌دهد.
منابع علمی / مراجع
- Cheng, Qiaohuan; Debnath, Sourabhi; Gregan, Elizabeth; Byrne, Hugh J. (2010): Ultrasound-Assisted SWNTs Dispersion: Effects of Sonication Parameters and Solvent Properties. The Journal of Physical Chemistry C, 114(19), 2010. 8821–8827.
- Tenent, Robert; Barnes, Teresa; Bergeson, Jeremy; Ferguson, Andrew; To, Bobby; Gedvilas, Lynn; Heben, Michael; Blackburn, Jeffrey (2009): Ultrasmooth, Large‐Area, High‐Uniformity, Conductive Transparent Single‐Walled‐Carbon‐Nanotube Films for Photovoltaics Produced by Ultrasonic Spraying. Advanced Materials. 21. 3210 – 3216.
- Brad W. Zeiger; Kenneth S. Suslick (2011): Sonofragmentation of Molecular Crystals. J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 37, 14530–14533.
- Adam K. Budniak, Niall A. Killilea, Szymon J. Zelewski, Mykhailo Sytnyk, Yaron Kauffmann, Yaron Amouyal, Robert Kudrawiec, Wolfgang Heiss, Efrat Lifshitz (2020): Exfoliated CrPS4 with Promising Photoconductivity. Small Vol.16, Issue1. January 9, 2020.
نکات دانستنی
دستگاه‌های فراصوتی اغلب با نام‌های سونیکاتور پروبی، هموژنایزر فراصوتی، لیزکنندهٔ صوتی، تخریب‌کنندهٔ فراصوتی، آسیاب فراصوتی، سونو‌راپتور، سونیفایر، متلاشی‌کنندهٔ صوتی، تخریب‌کنندهٔ سلولی، پراکنده‌ساز فراصوتی یا حل‌کننده شناخته می‌شوند. این اصطلاحات متفاوت از کاربردهای گوناگونی ناشی می‌شوند که با فراصوت‌دهی قابل انجام هستند.