تولید فراصوتی گرافن
سنتز فراصوتی گرافن از طریق لایه‌برداری گرافیت، مطمئن‌ترین و سودمندترین روش برای تولید ورقه‌های گرافن با کیفیت بالا در مقیاس صنعتی است. پردازشگرهای فراصوتی پربازده Hielscher به‌دقت قابل‌کنترل هستند و می‌توانند در کارکرد 24/7 دامنه‌های بسیار بالایی ایجاد کنند. این قابلیت، تهیهٔ حجم زیادی از گرافن بکر را به روشی آسان و با امکان کنترل اندازه فراهم می‌کند.
تهیهٔ فراصوتی گرافن
از زمان شناخته‌شدن ویژگی‌های خارق‌العادهٔ گرافیت، روش‌های متعددی برای تهیهٔ آن توسعه یافته است. از جملهٔ این روش‌ها، تولید شیمیایی گرافن از اکسید گرافن طی فرایندهای چندمرحله‌ای است که به عوامل اکسنده و کاهندهٔ بسیار قوی نیاز دارند. افزون بر این، گرافن تهیه‌شده در این شرایط شیمیایی شدید، حتی پس از احیا نیز اغلب در مقایسه با گرافن حاصل از روش‌های دیگر، عیوب فراوانی دارد. بااین‌حال، فراصوت جایگزینی اثبات‌شده برای تولید گرافن با کیفیت بالا، حتی در مقادیر زیاد، است. پژوهشگران شیوه‌های اندکی متفاوتی را با استفاده از فراصوت توسعه داده‌اند، اما به‌طورکلی تولید گرافن فرایندی ساده و تک‌مرحله‌ای است.
توالی پرسرعتی از فریم‌ها (از a تا f) که لایه‌برداری صوتی‌مکانیکی یک پولک گرافیت در آب با استفاده از UP200S، یک سونیکاتور 200W مجهز به سونوتْرود 3-mm، را نشان می‌دهد. پیکان‌ها محل شکافتن (لایه‌برداری) را نشان می‌دهند که حباب‌های کاویتاسیون به شکاف آن نفوذ می‌کنند.
(مطالعه و تصاویر: © Tyurnina et al. 2020
UIP2000hdT – سونیکاتور قدرتمند 2kW برای لایه‌برداری گرافن
مزایای لایه‌برداری فراصوتی گرافن
سونیکاتورها و راکتورهای پروبی Hielscher، لایه‌برداری گرافن را به فرایندی بسیار کارآمد تبدیل می‌کنند که با اعمال امواج فراصوت قدرتمند، برای تولید گرافن از گرافیت به کار می‌رود. این تکنیک نسبت به سایر روش‌های تولید گرافن مزایای متعددی دارد. مزایای اصلی لایه‌برداری فراصوتی گرافن عبارت‌اند از:
- بازده بالا: لایه‌برداری گرافن با فراصوت‌دهی پروبی، روشی بسیار کارآمد برای تولید گرافن است. این روش می‌تواند مقادیر زیادی گرافن با کیفیت بالا را در مدت‌زمانی کوتاه تولید کند.
- هزینهٔ پایین: تجهیزات موردنیاز برای لایه‌برداری فراصوتی در تولید صنعتی گرافن، در مقایسه با سایر روش‌های تولید گرافن، مانند رسوب‌دهی شیمیایی از فاز بخار (CVD) و لایه‌برداری مکانیکی، نسبتاً ارزان هستند.
- مقیاس‌پذیری: لایه‌برداری گرافن با سونیکاتور را می‌توان به‌آسانی برای تولید گرافن در مقیاس بزرگ افزایش مقیاس داد. لایه‌برداری و پراکنده‌سازی فراصوتی گرافن را می‌توان هم به‌صورت ناپیوسته و هم در فرایند پیوستهٔ درون‌خطی انجام داد. این ویژگی، آن را به گزینه‌ای عملی برای کاربردهای صنعتی تبدیل می‌کند.
- کنترل خواص گرافن: لایه‌برداری و جداسازی لایه‌های گرافن با فراصوت‌دهی پروبی، امکان کنترل دقیق خواص گرافن تولیدشده را فراهم می‌کند. این خواص شامل اندازه، ضخامت و تعداد لایه‌های آن است.
- حداقل اثرات زیست‌محیطی: لایه‌برداری گرافن با استفاده از پروب فراصوتی، روشی سبز برای تولید گرافن است، زیرا می‌توان آن را با حلال‌های غیرسمی و بی‌ضرر برای محیط‌زیست، مانند آب یا اتانول، انجام داد. این بدان معناست که جداسازی فراصوتی لایه‌های گرافن، امکان حذف یا کاهش استفاده از مواد شیمیایی قوی یا دماهای بالا را فراهم می‌کند. ازاین‌رو، این روش جایگزینی سازگار با محیط‌زیست برای سایر روش‌های تولید گرافن است.
در مجموع، لایه‌برداری گرافن با سونیکاتورها و راکتورهای پروبی Hielscher، روشی مقرون‌به‌صرفه، مقیاس‌پذیر و سازگار با محیط‌زیست برای تولید گرافن ارائه می‌دهد که امکان کنترل دقیق خواص مادهٔ حاصل را فراهم می‌کند.
نمونه‌ای از تولید سادهٔ گرافن با فراصوت‌دهی
گرافیت به مخلوطی از اسید آلی رقیق، الکل و آب افزوده می‌شود و سپس مخلوط در معرض تابش فراصوت قرار می‌گیرد. اسید مانند یک «گوهٔ مولکولی» عمل می‌کند که ورقه‌های گرافن را از گرافیت اولیه جدا می‌سازد. با این فرایند ساده، مقدار زیادی گرافن سالم و با کیفیت بالا، پراکنده در آب، تولید می‌شود. (An et al. 2010)
تصاویر میکروسکوپ الکترونی عبوری با وضوح بالا از نانوورقه‌های گرافن به‌دست‌آمده
از طریق پراکنده‌سازی در فاز آبی به کمک فراصوت و روش Hummer.
(مطالعه و تصویر: Ghanem and Rehim, 2018)
برای کسب اطلاعات بیشتر دربارهٔ سنتز، پراکنده‌سازی و عامل‌دارسازی فراصوتی گرافن، اینجا کلیک کنید:
- تولید گرافن
- نانوپلاکت‌های گرافن
- لایه‌برداری گرافن بر پایهٔ آب
- گرافن قابلپراکنش در آب
- اکسید گرافن
- زنها
لایه‌برداری مستقیم گرافن
فراصوت امکان تهیهٔ گرافن را در حلال‌های آلی، محلول‌های سورفکتانت/آب یا مایعات یونی فراهم می‌کند. این بدان معناست که می‌توان از به‌کارگیری عوامل اکسنده یا کاهندهٔ قوی اجتناب کرد. Stankovich et al. (2007) گرافن را از طریق لایه‌برداری تحت فراصوت‌دهی تولید کردند.
تصاویر AFM از اکسید گرافن لایه‌برداری‌شده با تیمار فراصوتی در غلظت‌های 1 mg/mL در آب، همواره وجود ورقه‌هایی با ضخامت یکنواخت را نشان دادند (~1 nm؛ نمونه‌ای در تصویر زیر نشان داده شده است). این نمونه‌های اکسید گرافن که به‌خوبی لایه‌برداری شده بودند، هیچ ورقه‌ای ضخیم‌تر یا نازک‌تر از 1nm نداشتند؛ بنابراین نتیجه گرفته شد که در این شرایط، لایه‌برداری کامل اکسید گرافن تا رسیدن به ورقه‌های منفرد اکسید گرافن واقعاً محقق شده است. (Stankovich et al. 2007)
تصویر AFM از ورقه‌های لایه‌برداری‌شدهٔ GO با سه پروفیل ارتفاع ثبت‌شده در نقاط مختلف
(تصویر و مطالعه: ©Stankovich et al., 2007)
تهیهٔ ورقه‌های گرافن
Stengl et al. تهیهٔ موفقیت‌آمیز ورقه‌های گرافن خالص در مقادیر زیاد را طی تولید نانوکامپوزیت غیراستوکیومتری TiO2–گرافن، از طریق هیدرولیز حرارتی سوسپانسیونی حاوی نانوورقه‌های گرافن و کمپلکس پراکسوی تیتانیا، نشان داده‌اند. نانوورقه‌های گرافن خالص از گرافیت طبیعی و با استفاده از میدان کاویتاسیون پرشدتی تولید شدند که پردازشگر فراصوتی UIP1000hd ساخت Hielscher در یک راکتور فراصوتی تحت فشار 5 bar ایجاد می‌کرد. ورقه‌های گرافن به‌دست‌آمده، با سطح ویژهٔ بالا و خواص الکترونیکی منحصربه‌فرد، می‌توانند به‌عنوان پایه‌ای مناسب برای TiO2 به کار روند تا فعالیت فوتوکاتالیستی را افزایش دهند. این گروه پژوهشی ادعا می‌کند که کیفیت گرافن تهیه‌شده به روش فراصوتی بسیار بالاتر از گرافن حاصل از روش Hummer است که در آن گرافیت لایه‌برداری و اکسید می‌شود. ازآنجاکه شرایط فیزیکی در راکتور فراصوتی به‌دقت قابل‌کنترل است و با این فرض که غلظت گرافن به‌عنوان مادهٔ آلاینده در بازهٔ 1 – 0٫001% تغییر کند، تولید گرافن در یک سامانهٔ پیوسته در مقیاس تجاری به‌آسانی قابل‌راه‌اندازی است. سونیکاتورهای صنعتی و راکتورهای درون‌خطی برای لایه‌برداری کارآمد گرافن با کیفیت بالا به‌آسانی در دسترس هستند.
راکتور فراصوتی برای لایه‌برداری و پراکنده‌سازی گرافن.
تهیه از طریق تیمار فراصوتی اکسید گرافن
Oh et al. (2010) مسیر تهیه‌ای را با استفاده از تابش فراصوت برای تولید لایه‌های اکسید گرافن (GO) نشان داده‌اند. برای این منظور، آن‌ها بیست‌وپنج میلی‌گرم پودر اکسید گرافن را در 200 ml آب دیونیزه معلق کردند. با هم‌زدن، سوسپانسیونی قهوه‌ای و ناهمگن به دست آوردند. سوسپانسیون‌های حاصل تحت فراصوت‌دهی قرار گرفتند (30 min, 1٫3 × 105J) و پس از خشک‌کردن (در 373 K)، اکسید گرافن تیمارشده با فراصوت تولید شد. طیف‌سنجی FTIR نشان داد که تیمار فراصوتی، گروه‌های عاملی اکسید گرافن را تغییر نداده است.
تصویر SEM از نانوورقه‌های گرافن بکر به‌دست‌آمده با فراصوت‌دهی (Oh et al., 2010)
عامل‌دارسازی ورقه‌های گرافن
Xu and Suslick (2011) روشی آسان و تک‌مرحله‌ای برای تهیهٔ گرافیت عامل‌دارشده با پلی‌استایرن توصیف می‌کنند. آن‌ها در مطالعهٔ خود از پولک‌های گرافیت و استایرن به‌عنوان مواد اولیهٔ اصلی استفاده کردند. با فراصوت‌دهی پولک‌های گرافیت در استایرن (یک مونومر واکنش‌پذیر)، تابش فراصوت موجب لایه‌برداری مکانوشیمیایی پولک‌های گرافیت و تبدیل آن‌ها به ورقه‌های گرافن تک‌لایه و چندلایه شد. هم‌زمان، عامل‌دارسازی ورقه‌های گرافن با زنجیره‌های پلی‌استایرن نیز محقق شد.
همین فرایند عامل‌دارسازی را می‌توان با سایر مونومرهای وینیلی برای کامپوزیت‌های مبتنی بر گرافن انجام داد.
سامانهٔ صنعتی فراصوت پرتوان برای لایه‌برداری صنعتی درون‌خطی گرافن.
دیسپرسیون‌های گرافن
درجهٔ پراکنش گرافن و اکسید گرافن برای بهره‌گیری از تمام ظرفیت گرافن با ویژگی‌های خاص آن، اهمیت بسیار زیادی دارد. اگر گرافن در شرایط کنترل‌شده پراکنده نشود، چندپراکندگی دیسپرسیون گرافن می‌تواند پس از به‌کارگیری آن در ادوات، به رفتار غیرقابل‌پیش‌بینی یا غیرایدئال منجر شود، زیرا خواص گرافن تابع پارامترهای ساختاری آن است. فراصوت‌دهی، تیماری اثبات‌شده برای تضعیف نیروهای بین‌لایه‌ای است و امکان کنترل دقیق پارامترهای مهم پردازش را فراهم می‌کند.
«برای اکسید گرافن (GO)، که معمولاً به‌صورت ورقه‌های تک‌لایه لایه‌برداری می‌شود، یکی از چالش‌های اصلی چندپراکندگی از تفاوت مساحت جانبی پولک‌ها ناشی می‌شود. نشان داده شده است که با تغییر مادهٔ اولیهٔ گرافیتی و شرایط فراصوت‌دهی، می‌توان اندازهٔ جانبی میانگین GO را از 400 nm به 20 μm تغییر داد.» (Green et al. 2010)
پراکنده‌سازی فراصوتی گرافن که به دوغاب‌های کلوئیدی ریز و یکنواخت منجر می‌شود، در مطالعات متعدد دیگری نیز نشان داده شده است. (Liu et al. 2011/ Baby et al. 2011/ Choi et al. 2010)
Zhang et al. (2010) نشان داده‌اند که با استفاده از فراصوت‌دهی، دیسپرسیون پایدار گرافن با غلظت بالای 1 mg·mL−1 و ورقه‌های نسبتاً خالص گرافن به دست می‌آید و ورقه‌های گرافنِ حاصل، در همان حالت تهیه‌شده، رسانایی الکتریکی بالایی برابر با 712 S·m−1 دارند. نتایج بررسی طیف‌های فروسرخ تبدیل فوریه و طیف‌های رامان نشان داد که روش تهیهٔ فراصوتی، آسیب کمتری به ساختارهای شیمیایی و بلوری گرافن وارد می‌کند.
سونیکاتورهای پربازده برای لایه‌برداری گرافن
برای تولید نانوورقه‌های گرافن با کیفیت بالا، تجهیزات فراصوتی مطمئن و پربازده موردنیاز است. دامنه، فشار و دما پارامترهایی اساسی هستند که برای تکرارپذیری و ثبات کیفیت محصول اهمیت حیاتی دارند. پردازشگرهای فراصوتی Hielscher Ultrasonics سامانه‌هایی قدرتمند و به‌دقت قابل‌کنترل هستند که امکان تنظیم دقیق پارامترهای فرایند و خروجی پیوستهٔ فراصوت پرتوان را فراهم می‌کنند. پردازشگرهای فراصوتی صنعتی Hielscher Ultrasonics می‌توانند دامنه‌های بسیار بالایی ارائه دهند. دامنه‌هایی تا 200µm را می‌توان به‌آسانی و به‌طور پیوسته در کارکرد 24/7 به کار گرفت. برای دامنه‌های حتی بالاتر، سونوتْرودهای فراصوتی سفارشی در دسترس هستند. استحکام تجهیزات فراصوتی Hielscher، کارکرد 24/7 را تحت بار کاری سنگین و در محیط‌های دشوار امکان‌پذیر می‌سازد.
مشتریان ما از استحکام و قابلیت اطمینان برجستهٔ سامانه‌های Hielscher Ultrasonics رضایت دارند. نصب در کاربردهای سنگین، محیط‌های دشوار و کارکرد 24/7، پردازشی کارآمد و اقتصادی را تضمین می‌کند. تشدید فرایند با فراصوت، زمان پردازش را کاهش می‌دهد و نتایج بهتری، یعنی کیفیت بالاتر، بازده بیشتر و محصولات نوآورانه، به دست می‌دهد.
جدول زیر نمایی از ظرفیت تقریبی پردازش سونیکاتورهای ما ارائه می‌دهد:
| حجم بچ | دبی | دستگاه‌های پیشنهادی |
|---|---|---|
| 0٫5 تا 1٫5mL | قابل‌اعمال نیست | VialTweeter |
| 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!
تهیهٔ نانوطومارهای کربنی
نانوطومارهای کربنی به نانولوله‌های کربنی چنددیواره شباهت دارند. تفاوت آن‌ها با MWCNTs، انتهای باز و دسترسی کامل مولکول‌های دیگر به سطوح داخلی است. آن‌ها را می‌توان به روش شیمی تر، از طریق بین‌لایه‌نشانی پتاسیم در گرافیت، لایه‌برداری در آب و فراصوت‌دهی سوسپانسیون کلوئیدی سنتز کرد. (رجوع کنید به Viculis et al. 2003) فراصوت‌دهی به پیچیدن تک‌لایه‌های گرافن و تبدیل آن‌ها به نانوطومارهای کربنی کمک می‌کند (شکل زیر را ببینید). بازده تبدیل بالای 80% به دست آمده است که تولید نانوطومارها را برای کاربردهای تجاری جذاب می‌کند.
سنتز فراصوتی نانوطومارهای کربنی (Viculis et al. 2003)
تهیهٔ نانونوارها
گروه پژوهشی Hongjie Dai و همکارانش در دانشگاه استنفورد، تکنیکی برای تهیهٔ نانونوارها یافتند. نوارهای گرافن، نوارهای باریکی از گرافن هستند که ممکن است حتی ویژگی‌های مفیدتری نسبت به ورقه‌های گرافن داشته باشند. در پهناهای حدود 10 nm یا کمتر، رفتار نوارهای گرافن شبیه نیمه‌رسانا است، زیرا الکترون‌ها مجبورند در راستای طول حرکت کنند. ازاین‌رو، استفاده از نانونوارها با عملکردی شبیه نیمه‌رسانا در الکترونیک می‌تواند جذاب باشد (برای مثال، برای تراشه‌های رایانه‌ای کوچک‌تر و سریع‌تر).
روش تهیهٔ نانونوارهای گرافن توسط Dai et al. بر دو مرحله استوار است: ابتدا، آن‌ها با تیمار حرارتی در 1000ºC به‌مدت یک دقیقه در 3% هیدروژن در گاز آرگون، اتصال لایه‌های گرافن را در گرافیت سست کردند. سپس، گرافن با فراصوت‌دهی به نوارهایی شکسته شد. نانونوارهای حاصل از این تکنیک، در مقایسه با نوارهای ساخته‌شده به روش‌های متداول لیتوگرافی، لبه‌های بسیار «صاف‌تری» دارند. (Jiao et al. 2009)
تولید گرافن به کمک فراصوت
نکات دانستنی
گرافن چیست؟
گرافیت از ورقه‌های دوبعدی اتم‌های کربن با هیبریداسیون sp2 و آرایش شش‌ضلعی – یعنی گرافن – تشکیل شده است که به‌طور منظم روی هم قرار گرفته‌اند. ورقه‌های گرافن با ضخامت یک اتم، که از طریق برهم‌کنش‌های غیرپیوندی گرافیت را تشکیل می‌دهند، دارای مساحت سطح بسیار بزرگی هستند. گرافن در امتداد صفحات پایهٔ خود استحکام و صلابت خارق‌العاده‌ای نشان می‌دهد که با رسیدن به حدود 1020 GPa، تقریباً به مقدار استحکام الماس می‌رسد.
گرافن عنصر ساختاری پایهٔ برخی دگرشکل‌ها است که علاوه بر گرافیت، نانولوله‌های کربنی و فولرن‌ها را نیز شامل می‌شوند. گرافن در صورت استفاده به‌عنوان افزودنی، حتی در مقادیر بارگذاری بسیار کم، می‌تواند خواص الکتریکی، فیزیکی، مکانیکی و سدگری کامپوزیت‌های پلیمری را به‌شدت بهبود دهد. (Xu, Suslick 2011)
گرافن به‌دلیل خواص خود، ماده‌ای با ویژگی‌های برتر و در نتیجه گزینه‌ای امیدبخش برای صنایع تولیدکنندهٔ کامپوزیت‌ها، پوشش‌ها یا محصولات میکروالکترونیکی است. Geim (2009) در بند زیر، گرافن را به‌اختصار به‌عنوان یک ابرماده توصیف می‌کند:
«این ماده نازک‌ترین ماده در جهان و مستحکم‌ترین ماده‌ای است که تاکنون اندازه‌گیری شده است. حامل‌های بار آن تحرک ذاتی بسیار بالایی دارند، دارای کوچک‌ترین جرم مؤثر هستند (این جرم صفر است) و می‌توانند در دمای اتاق، فاصله‌هایی به‌اندازهٔ چند میکرومتر را بدون پراکندگی طی کنند. گرافن می‌تواند چگالی‌های جریان 6 مرتبهٔ بزرگی بالاتر از مس را تحمل کند، رسانایی گرمایی و سفتی رکوردشکنی دارد، در برابر گازها نفوذناپذیر است و ویژگی‌های متضادی مانند تردی و شکل‌پذیری را در خود جمع می‌کند. انتقال الکترون در گرافن با معادله‌ای شبیه معادلهٔ دیراک توصیف می‌شود که امکان بررسی پدیده‌های کوانتومی نسبیتی را در یک آزمایش رومیزی فراهم می‌کند.»
به‌دلیل این ویژگی‌های برجسته، گرافن یکی از امیدبخش‌ترین مواد است و در کانون پژوهش‌های نانومواد قرار دارد.
کاربردهای بالقوهٔ گرافن
کاربردهای زیستی: نمونه‌ای از تهیهٔ فراصوتی گرافن و کاربرد زیستی آن در مطالعهٔ «Synthesis of Graphene-Gold Nanocomposites via Sonochemical Reduction» توسط Park et al. (2011) ارائه شده است؛ در این مطالعه، نانوکامپوزیتی از اکسید گرافن احیاشده و نانوذرات طلا (Au)، با احیای هم‌زمان یون‌های طلا و رسوب‌دهی هم‌زمان نانوذرات طلا بر سطح اکسید گرافن احیاشده سنتز شد. برای تسهیل احیای یون‌های طلا و ایجاد گروه‌های عاملی اکسیژنی جهت تثبیت نانوذرات طلا بر اکسید گرافن احیاشده، تابش فراصوت به مخلوط واکنش‌دهنده‌ها اعمال شد. تولید زیست‌مولکول‌های اصلاح‌شده با پپتید متصل‌شونده به طلا، ظرفیت تابش فراصوت بر گرافن و کامپوزیت‌های گرافن را نشان می‌دهد. بنابراین، به نظر می‌رسد فراصوت ابزاری مناسب برای تهیهٔ سایر زیست‌مولکول‌ها باشد.
الکترونیک: گرافن ماده‌ای بسیار کارآمد برای بخش الکترونیک است. به‌دلیل تحرک بالای حامل‌های بار در شبکهٔ گرافن، این ماده برای توسعهٔ قطعات الکترونیکی سریع در فناوری فرکانس بالا، بسیار موردتوجه است.
حسگرها: گرافن لایه‌برداری‌شده با فراصوت را می‌توان برای تولید حسگرهای هدایت‌سنجی بسیار حساس و گزینش‌پذیر (که مقاومت آن‌ها در بخار اشباع اتانول به‌سرعت >10 000% تغییر می‌کند) و ابرخازن‌هایی با ظرفیت ویژهٔ بسیار بالا (120 F/g)، چگالی توان (105 kW/kg) و چگالی انرژی (9٫2 Wh/kg) به کار برد. (An et al. 2010)
الکل: برای تولید الکل: یکی از کاربردهای جانبی می‌تواند استفاده از گرافن در تولید الکل باشد؛ در این کاربرد، می‌توان از غشاهای گرافن برای تقطیر الکل و در نتیجه افزایش درصد الکل نوشیدنی‌های الکلی استفاده کرد.
گرافن به‌عنوان مستحکم‌ترین ماده، دارای بیشترین رسانایی الکتریکی و یکی از سبک‌ترین و انعطاف‌پذیرترین مواد، گزینه‌ای امیدبخش برای سلول‌های خورشیدی، کاتالیز، نمایشگرهای شفاف و نورگسیل، تشدیدگرهای میکرومکانیکی، ترانزیستورها، استفاده به‌عنوان کاتد در باتری‌های لیتیوم–هوا، آشکارسازهای شیمیایی فوق‌حساس، پوشش‌های رسانا و نیز استفاده به‌عنوان افزودنی در آمیزه‌ها است.
اصل عملکرد فراصوت پرتوان
هنگام فراصوت‌دهی مایعات با شدت بالا، امواج صوتی که در محیط مایع منتشر می‌شوند، چرخه‌های متناوب پرفشار (تراکم) و کم‌فشار (انبساط) ایجاد می‌کنند که آهنگ تکرار آن‌ها به فرکانس بستگی دارد. در چرخهٔ کم‌فشار، امواج فراصوت پرشدت حباب‌های کوچک خلأ یا حفره‌هایی در مایع ایجاد می‌کنند. هنگامی که حباب‌ها به حجمی می‌رسند که دیگر نمی‌توانند انرژی جذب کنند، طی یک چرخهٔ پرفشار به‌شدت فرو می‌پاشند. این پدیده کاویتاسیون نام دارد. در جریان فروپاشی به درون، دماهای بسیار بالا (حدود 5٬000K) و فشارهای بسیار زیاد (حدود 2٬000atm) به‌صورت موضعی ایجاد می‌شوند. فروپاشی به درونِ حباب کاویتاسیون همچنین جت‌های مایع با سرعتی تا 280m/s ایجاد می‌کند. (Suslick 1998) کاویتاسیون ایجادشده با فراصوت، اثرات شیمیایی و فیزیکی به وجود می‌آورد که می‌توان آن‌ها را در فرایندها به کار گرفت.
سونوشیمی ناشی از کاویتاسیون، برهم‌کنشی منحصربه‌فرد میان انرژی و ماده فراهم می‌کند؛ با نقاط داغی درون حباب‌ها با دمای ~5000 K، فشارهای ~1000 bar و نرخ‌های گرم‌شدن و سردشدن >1010K s-1؛ این شرایط خارق‌العاده دسترسی به بخشی از فضای واکنش‌های شیمیایی را ممکن می‌سازد که معمولاً در دسترس نیست و در نتیجه، سنتز طیف گسترده‌ای از مواد نانوساختار غیرمعمول را امکان‌پذیر می‌کند. (Bang 2010)
منابع / مراجع
- FactSheet: Ultrasonic Graphene Exfoliation and Dispersion – Hielscher Ultrasonics – english version
- FactSheet: Exfoliación y Dispersión de Grafeno por Ultrasonidos – Hielscher Ultrasonics – spanish version
- 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.
- Anastasia V. Tyurnina, Iakovos Tzanakis, Justin Morton, Jiawei Mi, Kyriakos Porfyrakis, Barbara M. Maciejewska, Nicole Grobert, Dmitry G. Eskin 2020): Ultrasonic exfoliation of graphene in water: A key parameter study. Carbon, Vol. 168, 2020.
- 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.
- Stengl, V.; Popelková, D.; Vlácil, P. (2011): TiO2-Graphene Nanocomposite as High Performance Photocatalysts. In: Journal of Physical Chemistry C 115/2011. pp. 25209-25218.
- An, X.; Simmons, T.; Shah, R.; Wolfe, C.; Lewis, K. M.; Washington, M.; Nayak, S. K.; Talapatra, S.; Kar, S. (2010): Stable Aqueous Dispersions of Noncovalently Functionalized Graphene from Graphite and their Multifunctional High-Performance Applications. Nano Letters 10/2010. pp. 4295-4301.
- Baby, T. Th.; Ramaprabhu, S. (2011): Enhanced convective heat transfer using graphene dispersed nanofluids. Nanoscale Research Letters 6:289, 2011.
- Bang, J. H.; Suslick, K. S. (2010): Applications of Ultrasound to the Synthesis of Nanostructured Materials. Advanced Materials 22/2010. pp. 1039-1059.
- Choi, E. Y.; Han, T. H.; Hong, J.; Kim, J. E.; Lee, S. H.; Kim, H. W.; Kim, S. O. (2010): Noncovalent functionalization of graphene with end-functional polymers. Journal of Materials Chemistry 20/ 2010. pp. 1907-1912.
- Geim, A. K. (2009): Graphene: Status and Prospects. Science 324/2009. pp. 1530-1534.
- Green, A. A.; Hersam, M. C. (2010): Emerging Methods for Producing Monodisperse Graphene Dispersions. Journal of Physical Chemistry Letters 2010. pp. 544-549.
- Guo, J.; Zhu, S.; Chen, Z.; Li, Y.; Yu, Z.; Liu, Z.; Liu, Q.; Li, J.; Feng, C.; Zhang, D. (2011): Sonochemical synthesis of TiO2 nanoparticles on graphene for use as photocatalyst
- Hasan, K. ul; Sandberg, M. O.; Nur, O.; Willander, M. (2011): Polycation stabilization of graphene suspensions. Nanoscale Research Letters 6:493, 2011.
- Liu, X.; Pan, L.; Lv, T.; Zhu, G.; Lu, T.; Sun, Z.; Sun, C. (2011): Microwave-assisted synthesis of TiO2-reduced graphene oxide composites for the photocatalytic reduction of Cr(VI). RSC Advances 2011.
- Malig, J.; Englert, J. M.; Hirsch, A.; Guldi, D. M. (2011): Wet Chemistry of Graphene. The Electrochemical Society Interface, Spring 2011. pp. 53-56.
- Oh, W. Ch.; Chen, M. L.; Zhang, K.; Zhang, F. J.; Jang, W. K. (2010): The Effect of Thermal and Ultrasonic Treatment on the Formation of Graphene-oxide Nanosheets. Journal of the Korean Physical Society 4/56, 2010. pp. 1097-1102.
- Sametband, M.; Shimanovich, U.; Gedanken, A. (2012): Graphene oxide microspheres prepared by a simple, one-step ultrasonication method. New Journal of Chemistry 36/2012. pp. 36-39.
- Savoskin, M. V.; Mochalin, V. N.; Yaroshenko, A. P.; Lazareva, N. I.; Konstanitinova, T. E.; Baruskov, I. V.; Prokofiev, I. G. (2007): Carbon nanoscrolls produced from acceptor-type graphite intercalation compounds. Carbon 45/2007. pp. 2797-2800.
- Stankovich, S.; Dikin, D. A.; Piner, R. D.; Kohlhaas, K. A.; Kleinhammes, A.; Jia, Y.; Wu, Y.; Nguyen, S. T.; Ruoff, R. S. (2007): Synthesis of graphene-based nanosheets via chemical reduction of exfoliated graphite oxide. Carbon 45/2007. pp. 1558-1565.
- Viculis, L. M.; Mack, J. J.; Kaner, R. B. (2003): A Chemical Route To Carbon Nanoscrolls. Science, 299/1361; 2003.
- Xu, H.; Suslick, K. S. (2011): Sonochemical Preparation of Functionalized Graphenes. In: Journal of American Chemical Society 133/2011. pp. 9148-9151.
- Zhang, W.; He, W.; Jing, X. (2010): Preparation of a Stable Graphene Dispersion with High Concentration by Ultrasound. Journal of Physical Chemistry B 32/114, 2010. pp. 10368-10373.
- Jiao, L.; Zhang, L.; Wang, X.; Diankov, G.; Dai, H. (2009): Narrow graphene nanoribbons from carbon nanotubes. Nature 458/ 2009. pp. 877-880.
- Park, G.; Lee, K. G.; Lee, S. J.; Park, T. J.; Wi, R.; Kim, D. H. (2011): Synthesis of Graphene-Gold Nanocomposites via Sonochemical Reduction. Journal of Nanoscience and Nanotechnology 7/11, 2011. pp. 6095-6101.
- Zhang, R.Q.; De Sakar, A. (2011): Theoretical Studies on Formation, Property Tuning and Adsorption of Graphene Segments. In: M. Sergey (ed.): Physics and Applications of Graphene – Theory. InTech 2011. pp. 3-28.
Hielscher Ultrasonics هموژنایزرهای فراصوتی پربازده را در مقیاس‌های آزمایشگاهی تا صنعتی تولید می‌کند.