لایه‌برداری فراصوتی زین‌ها
زین‌ها نانومواد تک‌عنصری 2بعدی هستند که ویژگی‌های فوق‌العاده‌ای مانند مساحت سطح بسیار زیاد و خواص فیزیکی / شیمیایی ناهمسانگرد، از جمله رسانایی الکتریکی یا استحکام کششی برتر دارند. لایه‌برداری یا جداسازی لایه‌ها به روش فراصوتی، روشی کارآمد و قابل‌اعتماد برای تولید نانوورقه‌های 2بعدی تک‌لایه از مواد پیش‌مادهٔ لایه‌ای است. لایه‌برداری فراصوتی هم‌اکنون به‌عنوان روشی تثبیت‌شده برای تولید نانوورقه‌های زین با کیفیت بالا در مقیاس صنعتی به کار می‌رود.
زین‌ها – نانوساختارهای تک‌لایه
زین‌ها نانومواد تک‌عنصری و تک‌لایه (2بعدی) هستند که ساختاری شبیه گرافن، پیوند کووالانسی درون‌لایه‌ای و نیروهای ضعیف واندروالس بین لایه‌ها دارند. نمونه‌هایی از مواد این دسته عبارت‌اند از بوروفن، سیلیسن، ژرمانن، استانن، فسفرن (فسفر سیاه)، آرسنن، بیسموتن، تلورن و آنتیمونن. نانومواد زین به‌دلیل ساختار 2بعدی تک‌لایهٔ خود، سطح بسیار بزرگی دارند و واکنش‌پذیری شیمیایی و فیزیکی آن‌ها نیز بهبود یافته است. این ویژگی‌های ساختاری، خواص فوتونیکی، کاتالیستی، مغناطیسی و الکترونیکی چشمگیری به نانومواد زین می‌بخشند و این نانوساختارها را برای کاربردهای صنعتی متعدد بسیار جذاب می‌کنند. تصویر سمت چپ، تصاویر SEM بوروفن لایه‌برداری‌شده به روش فراصوتی را نشان می‌دهد.
راکتور مجهز به سونیکاتور 2000 واتی UIP2000hdT برای لایه‌برداری نانوورقه‌های زین در مقیاس بزرگ.
تولید نانومواد زین با استفاده از جداسازی فراصوتی لایه‌ها
لایه‌برداری نانومواد لایه‌ای در محیط مایع: نانوورقه‌های 2بعدی تک‌لایه از مواد معدنی با ساختار لایه‌ای (مانند گرافیت) تولید می‌شوند. این مواد از لایه‌های میزبان تشکیل شده‌اند که با اتصال ضعیف روی هم قرار گرفته‌اند و با میان‌نشانی یون‌ها و/یا حلال‌های معین، فضای بین لایه‌های آن‌ها گسترش می‌یابد یا متورم می‌شود. لایه‌برداری، که طی آن فاز لایه‌ای به نانوورقه‌ها شکافته می‌شود، معمولاً با تورم همراه است؛ زیرا جاذبه‌های الکترواستاتیکی بین لایه‌ها به‌سرعت تضعیف می‌شوند و پراکنه‌های کلوئیدی از لایه‌ها یا ورقه‌های 2بعدی منفرد ایجاد می‌کنند. (رجوع کنید به Geng et al, 2013) به‌طور کلی مشخص شده است که تورم، لایه‌برداری با فراصوت‌دهی را تسهیل می‌کند و به تشکیل نانوورقه‌های دارای بار منفی می‌انجامد. پیش‌تیمار شیمیایی نیز لایه‌برداری از طریق فراصوت‌دهی در حلال‌ها را تسهیل می‌کند. برای مثال، عامل‌دارسازی امکان لایه‌برداری هیدروکسیدهای دوگانهٔ لایه‌ای (LDHs) را در الکل‌ها فراهم می‌کند. (رجوع کنید به Nicolosi et al., 2013)
برای لایه‌برداری / جداسازی فراصوتی لایه‌ها، مادهٔ لایه‌ای در یک حلال در معرض امواج فراصوتی پرقدرت قرار می‌گیرد. هنگامی که امواج فراصوت با چگالی انرژی بالا به مایع یا دوغاب کوپل می‌شوند، کاویتاسیون آکوستیکی، که کاویتاسیون فراصوتی نیز نامیده می‌شود، رخ می‌دهد. مشخصهٔ کاویتاسیون فراصوتی، فروپاشی حباب‌های خلأ است. امواج فراصوت در مایع منتشر می‌شوند و چرخه‌های متناوب فشار پایین / فشار بالا ایجاد می‌کنند. حباب‌های بسیار ریز خلأ در چرخهٔ فشار پایین (انبساط) پدید می‌آیند و طی چندین چرخهٔ فشار پایین / فشار بالا رشد می‌کنند. هنگامی که حباب کاویتاسیون به مرحله‌ای می‌رسد که دیگر نمی‌تواند انرژی بیشتری جذب کند، به‌شدت به درون فرومی‌پاشد و به‌صورت موضعی شرایطی با چگالی انرژی بسیار بالا ایجاد می‌کند. نقطهٔ داغ کاویتاسیون با فشارها و دمای بسیار بالا، اختلاف‌های متناظر فشار و دما، جت‌های پرسرعت مایع و نیروهای برشی مشخص می‌شود. این نیروهای سونومکانیکی و سونوشیمیایی، حلال را به میان لایه‌های روی‌هم‌قرارگرفته می‌رانند و ساختارهای ذره‌ای و بلوری لایه‌ای را از هم می‌گسلند و در نتیجه نانوورقه‌های لایه‌برداری‌شده تولید می‌کنند. توالی تصاویر زیر، فرایند لایه‌برداری با کاویتاسیون فراصوتی را نشان می‌دهد.
توالی فریم‌های ثبت‌شده با سرعت بالا (از a تا f) که لایه‌برداری سونومکانیکی یک پولک گرافیت در آب را با استفاده از UP200S، سونیکاتور 200W مجهز به سونوتْرود 3-mm نشان می‌دهد. پیکان‌ها محل شکافتن (لایه‌برداری) را نشان می‌دهند که حباب‌های کاویتاسیون به درون شکاف آن نفوذ می‌کنند.
© Tyurnina et al. 2020 (CC BY-NC-ND 4.0)
مدل‌سازی نشان داده است که اگر انرژی سطحی حلال مشابه انرژی سطحی مادهٔ لایه‌ای باشد، اختلاف انرژی بین حالت‌های لایه‌برداری‌شده و بازتجمع‌یافته بسیار کم خواهد بود و نیروی محرک بازتجمع از بین می‌رود. در مقایسه با روش‌های جایگزین هم‌زدن و اعمال برش، همزن‌های فراصوتی منبع انرژی مؤثرتری برای لایه‌برداری فراهم کردند که به اثبات لایه‌برداری به کمک میان‌نشانی یون در TaS2، NbS2 و MoS2 و نیز اکسیدهای لایه‌ای انجامید. (رجوع کنید به Nicolosi et al., 2013)
تصاویر TEM نانوورقه‌های لایه‌برداری‌شده به روش فراصوتی در محیط مایع: (A) نانوورقهٔ گرافن لایه‌برداری‌شده با فراصوت‌دهی در حلال N-متیل-پیرولیدون. (B) نانوورقهٔ h-BN لایه‌برداری‌شده با فراصوت‌دهی در حلال ایزوپروپانول. (C) نانوورقهٔ MoS2 لایه‌برداری‌شده با فراصوت‌دهی در محلول آبی مادهٔ فعال سطحی.
(پژوهش و تصاویر: ©Nicolosi et al., 2013)
دستورالعمل‌های لایه‌برداری فراصوتی در محیط مایع
لایه‌برداری و جداسازی فراصوتی لایه‌های زین‌ها و سایر نانومواد تک‌لایه در پژوهش‌ها به‌طور گسترده بررسی شده و با موفقیت به مرحلهٔ تولید صنعتی انتقال یافته است. در ادامه، دستورالعمل‌های منتخب لایه‌برداری با استفاده از فراصوت‌دهی را ارائه می‌کنیم.
لایه‌برداری فراصوتی نانوپولک‌های فسفرن
فسفرن (که با نام فسفر سیاه، BP، نیز شناخته می‌شود) ماده‌ای تک‌عنصری با ساختار لایه‌ای 2بعدی است که از اتم‌های فسفر تشکیل شده است.
در پژوهش Passaglia et al. (2018)، تهیهٔ سوسپانسیون‌های پایدار فسفرن − متیل متاکریلات از طریق لایه‌برداری فاز مایع (LPE) از bP به کمک فراصوت‌دهی در حضور MMA و سپس پلیمریزاسیون رادیکالی نشان داده شده است. متیل متاکریلات (MMA) یک مونومر مایع است.
دستورالعمل لایه‌برداری فراصوتی فسفرن در محیط مایع
سوسپانسیون‌های MMA_bPn، NVP_bPn و Sty_bPn با روش LPE و صرفاً در حضور مونومر به دست آمدند. در یک روش معمول، ∼5 mg از bP که با دقت در هاون خرد شده بود، در لولهٔ آزمایش قرار داده شد و سپس مقداری توزین‌شده از MMA، Sty یا NVP به آن افزوده شد. سوسپانسیون bP در مونومر به‌مدت 90 min با استفاده از هموژنایزر UP200St ساخت Hielscher Ultrasonics با مشخصات (200W, 26kHz)، مجهز به سونوتْرود S26d2 (قطر نوک: 2 mm)، تحت فراصوت‌دهی قرار گرفت. دامنهٔ فراصوت در 50% و با P = 7 W ثابت نگه داشته شد. در همهٔ موارد، برای بهبود دفع گرما از حمام یخ استفاده شد. سپس به سوسپانسیون‌های نهایی MMA_bPn، NVP_bPn و Sty_bPn به‌مدت 15 min گاز N2 دمیده شد. همهٔ سوسپانسیون‌ها با DLS تحلیل شدند و مقادیر rH آن‌ها بسیار نزدیک به مقدار مربوط به DMSO_bPn بود. برای مثال، سوسپانسیون MMA_bPn (با محتوای bP حدود 1%) دارای rH = 512 ± 58 nm بود.
در حالی که سایر مطالعات علمی دربارهٔ فسفرن، زمان فراصوت‌دهی چندساعته با استفاده از دستگاه شست‌وشوی فراصوتی، حلال‌های دارای نقطهٔ جوش بالا و بازده پایین را گزارش می‌کنند، گروه پژوهشی Passaglia دستورالعملی بسیار کارآمد برای لایه‌برداری فراصوتی با استفاده از سونیکاتور پروبی ارائه می‌کند (یعنی سونیکاتور Hielscher مدل UP200St).
لایه‌برداری فراصوتی نانوورقه‌های تک‌لایه
برای مطالعهٔ جزئیات تخصصی‌تر و دستورالعمل‌های لایه‌برداری نانوورقه‌های بوروفن و اکسید روتنیم، پیوندهای زیر را دنبال کنید:
بوروفن: برای مشاهدهٔ دستورالعمل‌های فراصوت‌دهی و نتایج لایه‌برداری فراصوتی بوروفن، اینجا کلیک کنید!
RuO2: برای مشاهدهٔ دستورالعمل‌های فراصوت‌دهی و نتایج لایه‌برداری فراصوتی نانوورقه‌های اکسید روتنیم، اینجا کلیک کنید!
لایه‌برداری فراصوتی نانوورقه‌های سیلیکا با تعداد لایهٔ کم
نانوورقه‌های سیلیکای لایه‌برداری‌شده با تعداد لایهٔ کم، از ورمیکولیت طبیعی (Verm) به روش لایه‌برداری فراصوتی تهیه شدند. برای سنتز نانوورقه‌های سیلیکای لایه‌برداری‌شده، روش لایه‌برداری فاز مایع زیر به کار رفت: 40 mg نانوورقهٔ سیلیکا در 40 mL اتانول مطلق پراکنده شد. سپس مخلوط به‌مدت 2 h با استفاده از پردازشگر فراصوتی Hielscher مدل UP200St، مجهز به سونوتْرود 7 mm، تحت فراصوت‌دهی قرار گرفت. دامنهٔ موج فراصوت در 70% ثابت نگه داشته شد. برای جلوگیری از گرم‌شدن بیش‌ازحد از حمام یخ استفاده شد. SN لایه‌برداری‌نشده با سانتریفیوژ در 1000 rpm به‌مدت 10 min حذف شد. در نهایت، محصول با سرریزکردن جدا شد و در طول شب، در دمای اتاق و تحت خلأ خشک شد. (رجوع کنید به Guo et al., 2022)
لایه‌برداری فراصوتی نانوورقه‌های تک‌لایه با سونیکاتور UP400ST.
لایه‌برداری فراصوتی در محیط مایع برای تولید نانوورقه‌های زین بسیار مؤثر است. تصویر، دستگاه پرقدرتی با توان 1000 وات را نشان می‌دهد: UIP1000hdT.
پروب‌ها و راکتورهای فراصوتی پرتوان برای لایه‌برداری نانوورقه‌های زین
Hielscher Ultrasonics سونیکاتورهای مستحکم و قابل‌اعتماد را در هر اندازه‌ای طراحی، تولید و عرضه می‌کند. از دستگاه‌های فراصوتی آزمایشگاهی جمع‌وجور تا پروب‌ها و راکتورهای فراصوتی صنعتی، Hielscher سامانهٔ فراصوتی ایدئال را برای فرایند شما ارائه می‌دهد. کارکنان آموزش‌دیدهٔ ما با برخورداری از تجربهٔ طولانی در کاربردهایی مانند سنتز و پراکنده‌سازی نانومواد، مناسب‌ترین آرایش تجهیزات را متناسب با نیازهای شما پیشنهاد می‌کنند. پردازشگرهای فراصوتی صنعتی Hielscher در تأسیسات صنعتی به‌عنوان دستگاه‌هایی سخت‌کار و قابل‌اعتماد شناخته می‌شوند. سونیکاتورهای Hielscher با توانایی تأمین دامنه‌های بسیار بالا، برای کاربردهای نیازمند عملکرد بالا، مانند سنتز زین‌ها و سایر نانومواد 2بعدی تک‌لایه از جمله بوروفن، فسفرن یا گرافن، و نیز پراکنده‌سازی قابل‌اعتماد این نانوساختارها ایدئال هستند.
فراصوت فوق‌العاده پرقدرت: پردازشگرهای فراصوتی صنعتی Hielscher Ultrasonics می‌توانند دامنه‌های بسیار بالایی تأمین کنند. کارکرد پیوسته با دامنه‌هایی تا 200µm در حالت 24/7 به‌آسانی امکان‌پذیر است. برای دامنه‌های بالاتر نیز سونوتْرودهای فراصوتی سفارشی موجود هستند.
بالاترین کیفیت – طراحی و ساخت آلمان: تمام تجهیزات در مقر اصلی ما در آلمان طراحی و تولید می‌شوند. پیش از تحویل به مشتری، هر دستگاه فراصوتی با دقت تحت بار کامل آزمایش می‌شود. ما برای جلب رضایت مشتری تلاش می‌کنیم و ساختار تولید ما به‌گونه‌ای تنظیم شده است که بالاترین سطح تضمین کیفیت را برآورده کند (برای مثال گواهی ISO).
جدول زیر نمایی از ظرفیت تقریبی پردازش سونیکاتورهای ما را ارائه می‌دهد:
| حجم هر بچ | دبی | دستگاه‌های پیشنهادی |
|---|---|---|
| 1 تا 500mL | 10 تا 200mL/min | UP100H |
| 10 تا 2000mL | 20 تا 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0٫1 تا 20L | 0٫2 تا 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 تا 100L | 2 تا 10L/min | UIP4000hdT |
| قابل‌اعمال نیست | 10 تا 100L/min | UIP16000 |
| قابل‌اعمال نیست | بیشتر | مجموعه‌ای از UIP16000 |
با ما تماس بگیرید! / از ما بپرسید!
Hielscher Ultrasonics هموژنایزرهای فراصوتی با عملکرد بالا را برای کاربردهای اختلاط، پراکنده‌سازی، امولسیون‌سازی و استخراج در مقیاس آزمایشگاهی، پایلوت و صنعتی تولید می‌کند.
منابع علمی / مراجع
- FactSheet: Ultrasonic Graphene Exfoliation and Dispersion – Hielscher Ultrasonics – english version
- FactSheet: Exfoliación y Dispersión de Grafeno por Ultrasonidos – Hielscher Ultrasonics – spanish version
- Passaglia, Elisa; Cicogna, Francesca; Costantino, Federica; Coiai, Serena; Legnaioli, Stefano; Lorenzetti, G.; Borsacchi, Silvia; Geppi, Marco; Telesio, Francesca; Heun, Stefan; Ienco, Andrea; Serrano-Ruiz, Manuel; Peruzzini, Maurizio (2018): Polymer-Based Black Phosphorus (bP) Hybrid Materials by in Situ Radical Polymerization: An Effective Tool To Exfoliate bP and Stabilize bP Nanoflakes. Chemistry of Materials 2018.
- Zunmin Guo, Jianuo Chen, Jae Jong Byun, Rongsheng Cai, Maria Perez-Page, Madhumita Sahoo, Zhaoqi Ji, Sarah J. Haigh, Stuart M. Holmes (2022): High-performance polymer electrolyte membranes incorporated with 2D silica nanosheets in high-temperature proton exchange membrane fuel cells. Journal of Energy Chemistry, Volume 64, 2022. 323-334.
- Sukpirom, Nipaka; Lerner, Michael (2002): Rapid exfoliation of a layered titanate by ultrasonic processing. Materials Science and Engineering A-structural Materials Properties Microstructure and Processing 333, 2002. 218-222.
- Nicolosi, Valeria; Chhowalla, Manish; Kanatzidis, Mercouri; Strano, Michael; Coleman, Jonathan (2013): Liquid Exfoliation of Layered Materials. Science 340, 2013.
دانستنی‌های مفید
فسفرن
فسفرن (که نانوورقه‌ها / نانوپولک‌های فسفر سیاه نیز نامیده می‌شود) در نمونه‌ای با ضخامت 5 nm، تحرک‌پذیری بالای 1000 cm2 V–1 s–1 و نسبت بالای جریان روشن/خاموش (ON/OFF) برابر با 105 دارد. فسفرن به‌عنوان نیمه‌رسانای نوع p، دارای گاف نواری مستقیم 0٫3 eV است. همچنین، گاف نواری مستقیم فسفرن در حالت تک‌لایه تا حدود 2 eV افزایش می‌یابد. این ویژگی‌های ماده، نانوورقه‌های فسفر سیاه را به ماده‌ای امیدبخش برای کاربردهای صنعتی در ادوات نانوالکترونیکی و نانوفوتونیکی تبدیل می‌کنند که کل گسترهٔ طیف مرئی را پوشش می‌دهند. (رجوع کنید به Passaglia et al., 2018) کاربرد بالقوهٔ دیگر در حوزهٔ زیست‌پزشکی است، زیرا سمیت نسبتاً پایین، استفاده از فسفر سیاه را بسیار جذاب می‌کند.
در دستهٔ مواد دوبعدی، فسفرن اغلب در کنار گرافن قرار می‌گیرد؛ زیرا برخلاف گرافن، فسفرن دارای گاف نواری بنیادی غیرصفر است که می‌توان آن را با کرنش و تعداد لایه‌های روی‌هم‌قرارگرفته نیز تنظیم کرد.
بوروفن
بوروفن یک تک‌لایهٔ اتمی بلوری از بور است؛ یعنی دگرشکلی دوبعدی از بور است که نانوورقهٔ بور نیز نامیده می‌شود. ویژگی‌های فیزیکی و شیمیایی منحصربه‌فرد آن، بوروفن را به ماده‌ای ارزشمند برای کاربردهای صنعتی متعدد تبدیل می‌کنند.
خواص فیزیکی و شیمیایی استثنایی بوروفن شامل ویژگی‌های منحصربه‌فرد مکانیکی، حرارتی، الکترونیکی، نوری و ابررسانایی است.
این ویژگی‌ها امکان استفاده از بوروفن را در باتری‌های یون فلزات قلیایی، باتری‌های Li-S، ذخیره‌سازی هیدروژن، ابرخازن‌ها، احیا و تولید اکسیژن و همچنین واکنش احیای الکتروشیمیایی CO2 فراهم می‌کنند. بوروفن به‌ویژه به‌عنوان مادهٔ آند باتری‌ها و مادهٔ ذخیره‌سازی هیدروژن بسیار مورد توجه است. به‌دلیل ظرفیت‌های ویژهٔ نظری بالا، رسانایی الکترونی و خواص انتقال یون، بوروفن ماده‌ای عالی برای آند باتری‌ها محسوب می‌شود. به‌دلیل ظرفیت بالای جذب سطحی هیدروژن روی بوروفن، این ماده پتانسیل زیادی برای ذخیره‌سازی هیدروژن دارد – با ظرفیت ذخیره‌سازی بیش از 15% وزن خود.
دربارهٔ سنتز و پراکنده‌سازی فراصوتی بوروفن بیشتر بخوانید!
Hielscher Ultrasonics هموژنایزرهای فراصوتی با عملکرد بالا را از مقیاس آزمایشگاهی تا صنعتی تولید می‌کند.