پراکنش فراصوتی نانولوله‌های کربنی (CNT)

نانولوله‌های کربنی مستحکم و انعطاف‌پذیرند، اما تمایل بسیار زیادی به چسبیدن به یکدیگر دارند. پراکنده‌سازی آن‌ها در مایعاتی مانند آب، اتانول، روغن، پلیمر یا رزین اپوکسی دشوار است. فراصوت روشی مؤثر برای دستیابی به نانولوله‌های کربنی مجزا – پراکنده‌شده به‌صورت منفرد – است.

نانولوله‌های کربنی (CNT) در چسب‌ها، پوشش‌ها و پلیمرها و نیز به‌عنوان پرکننده‌های رسانای الکتریکی در پلاستیک‌ها به کار می‌روند تا بارهای الکتریسیتهٔ ساکن را در تجهیزات الکتریکی و پنل‌های بدنهٔ خودرو با قابلیت رنگ‌آمیزی الکترواستاتیکی تخلیه کنند. با استفاده از نانولوله‌ها می‌توان مقاومت پلیمرها را در برابر دما، مواد شیمیایی قوی، محیط‌های خورنده، فشارهای بسیار زیاد و سایش افزایش داد. نانولوله‌های کربنی به دو دسته تقسیم می‌شوند: نانولوله‌های تک‌دیواره (SWNT) و نانولوله‌های چنددیواره (MWNT).

نانولوله‌های کربنی معمولاً به‌صورت مادهٔ خشک عرضه می‌شوند؛ برای مثال، توسط شرکت‌هایی مانند SES Research یا CNT Co., Ltd. برای بهره‌گیری از حداکثر ظرفیت نانولوله‌ها، به فرایندی ساده، قابل‌اعتماد و مقیاس‌پذیر برای کلوخه‌زدایی نیاز است. برای مایعاتی با گرانروی تا 100٬000cP، فراصوت فناوری بسیار مؤثری برای پراکنده‌سازی نانولوله‌ها در آب، روغن یا پلیمرها در غلظت‌های کم یا زیاد است. جریان‌های جتی مایع ناشی از کاویتاسیون فراصوتی، بر نیروهای پیوندی میان نانولوله‌ها غلبه می‌کنند و آن‌ها را از یکدیگر جدا می‌سازند. به‌دلیل نیروهای برشی و ریزآشفتگی‌های ایجادشده با فراصوت، این فناوری می‌تواند به پوشش‌دهی سطحی و واکنش شیمیایی نانولوله‌ها با مواد دیگر نیز کمک کند.

معمولاً ابتدا یک دیسپرسیون اولیه و درشت از نانولوله‌ها با همزن استاندارد پیش‌مخلوط می‌شود و سپس در راکتور سلول جریان فراصوتی همگن می‌شود. ویدئوی زیر یک آزمایش آزمایشگاهی را نشان می‌دهد (فراصوت‌دهی ناپیوسته با استفاده از دستگاه UP400S) که طی آن نانولوله‌های کربنی چنددیواره با غلظت کم در آب پراکنده می‌شوند. به‌دلیل ماهیت شیمیایی کربن، پراکنده‌سازی نانولوله‌ها در آب نسبتاً دشوار است. همان‌طور که در ویدئو دیده می‌شود، به‌آسانی می‌توان نشان داد که فراصوت‌دهی قادر است نانولوله‌ها را به‌طور مؤثر پراکنده کند.

پراکنده‌سازی فراصوتی نانولوله‌های کربنی: سونیکاتور Hielscher UP400S (400W) نانولوله‌های کربنی (CNTs) را به‌سرعت و با کارایی بالا از حالت درهم‌تنیده خارج می‌کند و به‌صورت نانولوله‌های مجزا پراکنده می‌سازد.

پراکنش نانولوله‌های تک‌دیوارهٔ منفرد با طول زیاد

یکی از مشکلات عمده در پردازش و دست‌کاری نانولوله‌های تک‌دیواره (SWNT)، نامحلول‌بودن ذاتی آن‌ها در حلال‌های آلی متداول و آب است. عامل‌دارکردن دیوارهٔ جانبی یا انتهای باز نانولوله‌ها برای ایجاد فصل مشترک مناسب میان SWNTها و حلال، اغلب فقط به بازشدن جزئی دسته‌های طناب‌مانند SWNT منجر می‌شود.
در نتیجه، SWNTها معمولاً به‌صورت دسته‌ای پراکنده می‌شوند، نه به‌شکل اجزای منفرد و کاملاً مجزا. هنگامی که طی پراکنده‌سازی از شرایط بیش‌ازحد شدید استفاده شود، SWNTها کوتاه می‌شوند و طول آن‌ها به 80 تا 200nm می‌رسد. اگرچه این طول برای برخی آزمون‌ها مفید است، برای بیشتر کاربردهای عملی، مانند استفاده از SWNTها به‌عنوان نیمه‌رسانا یا تقویت‌کننده، بسیار کوتاه است. تیمار فراصوتی ملایم و کنترل‌شده (برای مثال با UP200Ht مجهز به سونوتْرود 40mm) روشی مؤثر برای تهیهٔ دیسپرسیون‌های آبی از SWNTهای بلند و منفرد است. توالی‌های فراصوت‌دهی ملایم، کوتاه‌شدن را به حداقل می‌رسانند و امکان حفظ حداکثری خواص ساختاری و الکترونیکی را فراهم می‌کنند.

خالص‌سازی SWNT با فراصوت‌دهی به کمک پلیمر

مطالعهٔ اصلاح شیمیایی SWNTها در سطح مولکولی دشوار است، زیرا دستیابی به SWNTهای خالص دشوار است. SWNTهای حاصل از رشد، پیش از خالص‌سازی، ناخالصی‌های بسیاری مانند ذرات فلزی و کربن‌های آمورف دارند. فراصوت‌دهی SWNTها در محلول پلی(متیل متاکریلات) PMMA در مونوکلروبنزن (MCB) و سپس فیلتراسیون، روشی مؤثر برای خالص‌سازی SWNTها است. این روش خالص‌سازی به کمک پلیمر، امکان حذف مؤثر ناخالصی‌ها از SWNTهای حاصل از رشد را فراهم می‌کند. (Yudasaka et al.) کنترل دقیق دامنهٔ فراصوت‌دهی امکان محدودکردن آسیب به SWNTها را فراهم می‌کند.

شرکت Hielscher عرضه‌کنندهٔ طیف گسترده‌ای از دستگاه‌های فراصوتی و لوازم جانبی برای پراکنده‌سازی کارآمد نانولوله‌ها است.

• دستگاه‌های آزمایشگاهی جمع‌وجور با حداکثر 400 وات توان فراصوتی برای پراکنده‌سازی در حجم‌های کوچک‌تر تا 2 لیتر
• UIP500hdT, UIP1000hdT و UIP1500hdT پردازشگرهای فراصوتی هستند که می‌توانند حجم‌های بزرگ‌تر را پردازش کنند.
• سامانه‌های فراصوتی با توان 2kW (UIP2000hdT) و 4kW (UIP4000hdT) را می‌توان برای پراکنده‌سازی نانولوله‌های کربنی در مقیاس تولید به کار برد. دستگاه UIP10000 (10 kilowatts) و دستگاه UIP16000 (16 kilowatts) را می‌توان در مجموعه‌هایی متشکل از چندین واحد مستقل برای پردازش نانولوله‌های کربنی در مقیاس بزرگ به کار برد.”

منابع

• Koshio, A., Yudasaka, M., Zhang, M., Iijima, S. (2001): A Simple Way to Chemically React Single-Wall Crabon Nanotubes with Organic Materials Using Ultrasonication; in Nano Letters, Vol. 1, No. 7, 2001, p. 361-363.
• Yudasaka, M., Zhang, M., Jabs, C. et al. (2000): Effect of an organic polymer in purification and cutting of single-wall carbon nanotubes. Appl Phys A 71, 449–451 (2000).
• Paredes, J. I., Burghard, M. (2004): Dispersions of Individual Single-Walled Carbon Nanotubes of High Length, in: Langmuir, Vol. 20, No. 12, 2004, 5149-5152, American Chemical Society.