Xenesin ultraäänikuorinta

Xenes ovat 2D-monoelementaalisia nanomateriaaleja, joilla on poikkeuksellisia ominaisuuksia, kuten erittäin suuri pinta-ala, anisotrooppiset fysikaaliset / kemialliset ominaisuudet, mukaan lukien erinomainen sähkönjohtavuus tai vetolujuus. Ultraäänikuorinta tai delaminointi on tehokas ja luotettava tekniikka yksikerroksisten 2D-nanoarkkien tuottamiseksi kerrostetuista esiastemateriaaleista. Ultraäänikuorinta on jo perustettu korkealaatuisten xenes-nanoarkkien tuotantoon teollisessa mittakaavassa.

Xenes – Yksikerroksiset nanorakenteet

Xenes ovat yksikerroksisia (2D), monoelementaalisia nanomateriaaleja, joilla on grafeenin kaltainen rakenne, kerroksen sisäinen kovalenttinen sidos ja heikot van der Waalsin voimat kerrosten välillä. Esimerkkejä xenes-luokkaan kuuluvista materiaaleista ovat borofeeni, silicene, germanene, staneeni, fosforeeni (musta fosfori), arseeni, bismuteeni sekä tellureeni ja antimonene. Yksikerroksisen 2D-rakenteensa ansiosta xenes-nanomateriaaleja karstaa erittäin suuri pinta sekä parantuneet kemialliset ja fysikaaliset reaktiivisuudet. Nämä rakenteelliset ominaisuudet antavat xenes-nanomateriaaleille vaikuttavia fotonisia, katalyyttisiä, magneettisia ja elektronisia ominaisuuksia ja tekevät näistä nanorakenteista erittäin mielenkiintoisia lukuisissa teollisissa sovelluksissa. Vasemmalla olevassa kuvassa on SEM-kuvia ultraäänellä kuoritusta borofeenista.

Xenes-nanomateriaalien tuotanto ultraäänidelaminaatiolla

Kerrostettujen nanomateriaalien nestemäinen kuorinta: Yksikerroksiset 2D-nanolevyt valmistetaan epäorgaanisista materiaaleista, joissa on kerrosrakenteita (esim. grafiitti), jotka koostuvat löyhästi pinotuista isäntäkerroksista, jotka osoittavat kerroksesta kerrokseen gallerian laajenemista tai turvotusta tiettyjen ionien ja/tai liuottimien interkaloituessa. Kuorinta, jossa kerrosfaasi pilkotaan nanolevyiksi, liittyy tyypillisesti turvotukseen, joka johtuu kerrosten välisistä nopeasti heikentyneistä sähköstaattisista vetovoimaista, jotka tuottavat yksittäisten 2D-kerrosten tai -levyjen kolloidisia dispersioita. (vrt. Geng et al, 2013) Yleensä tiedetään, että turvotus helpottaa kuorintaa ultraäänellä ja johtaa negatiivisesti varautuneisiin nanoarkkeihin. Kemiallinen esikäsittely helpottaa myös kuorintaa sonikaatiolla liuottimissa. Esimerkiksi funktionalisointi mahdollistaa kerrostettujen kaksoishydroksidien (LDH) kuorinnan alkoholeissa. (vrt. Nicolosi et al., 2013)
Ultraäänikuorintaa / delaminointia varten kerrostettu materiaali altistetaan voimakkaille ultraääniaalloille liuottimessa. Kun energiatiheät ultraääniaallot kytketään nesteeseen tai lietteeseen, tapahtuu akustinen eli ultraäänikavitaatio. Ultraäänikavitaatiolle on ominaista tyhjiökuplien romahtaminen. Ultraääniaallot kulkevat nesteen läpi ja tuottavat vuorotellen matalapaine- / korkeapainesyklejä. Pienet tyhjiökuplat syntyvät matalapaineisen (harvinaisen) syklin aikana ja kasvavat erilaisten matalapaine- / korkeapainesyklien aikana. Kun kavitaatiokupla saavuttaa pisteen, jossa se ei pysty absorboimaan enempää energiaa, kupla luhistuu voimakkaasti ja luo paikallisesti hyvin energiatiheät olosuhteet. Kavitaatiopiste määräytyy erittäin korkeiden paineiden ja lämpötilan, vastaavien paineiden ja lämpötilaerojen, nopeiden nestesuihkujen ja leikkausvoimien perusteella. Nämä sonomekaaniset ja sonokemialliset voimat työntävät liuotinta pinottujen kerrosten väliin ja hajottavat kerrostettuja hiukkas- ja kiteisiä rakenteita, jolloin saadaan kuorittuja nanolevyjä. Alla oleva kuvasekvenssi osoittaa kuorintaprosessin ultraäänikavitaatiolla.

Nopea kehyssarja (a:sta f:ään), joka kuvaa grafiittihiutaleen sonomekaanista kuorintaa vedessä käyttäen UP200S, 200W ultraäänilaite 3 mm: n sonotrodilla. Nuolet osoittavat halkaisupaikan (kuorinnan) kavitaatiokuplien tunkeutuessa halkeamaan.
© Tyurnina et ai., 2020 (CC BY-NC-ND 4.0)

Mallinnus on osoittanut, että jos liuottimen pintaenergia on samanlainen kuin kerrostetun materiaalin, kuoritun ja uudelleenaggregoidun tilan välinen energiaero on hyvin pieni, mikä poistaa uudelleenaggregaation liikkeellepanevan voiman. Verrattuna vaihtoehtoisiin sekoitus- ja leikkausmenetelmiin ultraäänisekoittimet tarjosivat tehokkaamman energialähteen kuorintaan, mikä johti TaS: n ionien interkalaatioavusteisen kuorinnan osoittamiseen₂Nbs₂ja MoS₂sekä kerrostetut oksidit. (vrt. Nicolosi et al., 2013)

TEM-kuvat ultraäänellä nestemäisistä kuorituista nanosheeteistä: (A) Grafeenin nanoarkki, joka on kuorittu sonikaatiolla liuottimessa N-metyylipyrrolidoni. (B) H-BN-nanoarkki, joka on kuorittu sonikaatiolla liuottimen isopropanolissa. (C) MoS2-nanoarkki, joka on kuorittu sonikaatiolla pinta-aktiivisen aineen vesiliuoksessa.
(Tutkimus ja kuvat: ©Nicolosi et al., 2013)

Ultraääni neste-kuorintaprotokollat

Xeenien ja muiden yksikerroksisten nanomateriaalien ultraäänikuorintaa ja delaminointia on tutkittu laajasti tutkimuksessa, ja se siirrettiin onnistuneesti teolliseen tuotantovaiheeseen. Alla esittelemme sinulle valitut kuorintaprotokollat sonikaatiolla.

Fosforeeninanohiutaleiden ultraäänikuorinta

Fosforeeni (tunnetaan myös nimellä musta fosfori, BP) on 2D-kerrostettu, monoelementaalinen materiaali, joka muodostuu fosforiatomeista.
(2018) fosforeeni-metyylimetakrylaatin stabiilien suspensioiden valmistus bP: n sonikaatioavusteisella nestefaasikuorinnalla (LPE) MMA: n läsnä ollessa, jota seuraa radikaali polymerointi. Metyylimetakrylaatti (MMA) on nestemäinen monomeeri.

Protokolla fosforeenin ultraääninesteen kuorintaan

LPE sai MMA_bPn, NVP_bPn ja Sty_bPn suspensiot ainoan monomeerin läsnä ollessa. Tyypillisessä menetelmässä ∼5 mg bP: tä, joka murskattiin huolellisesti laastissa, laitettiin koeputkeen ja sitten lisättiin painotettu määrä MMA: ta, Sty: tä tai NVP: tä. Monomeeri bP-suspensio sonikoitiin 90 minuutin ajan käyttämällä Hielscher Ultrasonics -homogenisaattoria UP200St (200W, 26kHz), joka oli varustettu sonotrode S26d2: lla (kärjen halkaisija: 2 mm). Ultraääniamplitudi pidettiin vakiona 50%: ssa P = 7 W: lla. Kaikissa tapauksissa jäähaudetta käytettiin lämmöntuotannon parantamiseen. Viimeiset MMA_bPn, NVP_bPn ja Sty_bPn suspensiot tukahdutettiin sitten N2:lla 15 minuutin ajan. DLS analysoi kaikki suspensiot ja osoitti rH-arvot todella lähellä DMSO_bPn: n arvoja. Esimerkiksi MMA_bPn suspensiolle (jolla oli noin 1% bP-pitoisuudesta) oli tunnusomaista rH = 512 ± 58 nm.
Vaikka muut fosforeenia koskevat tieteelliset tutkimukset raportoivat useiden tuntien sonikaatioajasta ultraäänipuhdistimella, korkean kiehumispisteen liuottimilla ja alhaisella hyötysuhteella, Passaglian tutkimusryhmä osoittaa erittäin tehokkaan ultraäänikuorintaprotokollan, jossa käytetään koetintyyppistä ultraäänilaitetta (nimittäin Hielscher ultraäänilaite malli UP200St).

Yksikerroksisten nanoarkkien ultraäänikuorinta

Jos haluat lukea tarkempia yksityiskohtia ja kuorintaprotokollia borofeenin ja ruteniumoksidin nanosheeteille, seuraa alla olevia linkkejä:
borofeeni: Sonikaatioprotokollat ja ultraääniborofeenin kuorinnan tulokset, napsauta tätä!
RuO2: Sonikaatioprotokollat ja ultraääniruteniumoksidin nanoarkin kuorinnan tulokset napsauttamalla tätä!

Muutaman kerroksen piidioksidinanoarkkien ultraäänikuorinta

Luonnollisesta vermikuliitista (Verm) valmistettiin muutaman kerroksen kuorittuja piidioksidinanoarkkeja ultraäänikuorinnan avulla. Kuorittujen piidioksidinanoarkkien synteesiin sovellettiin seuraavaa nestefaasikuorintamenetelmää: 40 mg piidioksidinanolevyjä dispergoitiin 40 ml:aan absoluuttista etanolia. Tämän jälkeen seosta ultrasonictiin 2 h Hielscherin ultraääniprosessorilla UP200St, joka oli varustettu 7 mm: n sonotrodilla. Ultraääniaallon amplitudi pidettiin vakiona 70%: ssa. Jäähaude levitettiin ylikuumenemisen välttämiseksi. Kuorimaton SN poistettiin sentrifugoimalla nopeudella 1000 rpm 10 minuutin ajan. Lopuksi tuote dekantoidaan ja kuivataan huoneenlämmössä tyhjiössä yön yli. (vrt. Guo et al., 2022)

Suuritehoiset ultraäänianturit ja reaktorit Xenes-nanoarkkien kuorintaan

Hielscher Ultrasonics suunnittelee, valmistaa ja jakelee vankkoja ja luotettavia ultraäänilaitteita missä tahansa koossa. Pienikokoisista laboratorion ultraäänilaitteista teollisiin ultraääniantureihin ja reaktoreihin Hielscherillä on ihanteellinen ultraäänijärjestelmä prosessillesi. Meillä on pitkä kokemus nanomateriaalien synteesin ja dispersion kaltaisista sovelluksista, joten hyvin koulutettu henkilökuntamme suosittelee tarpeisiisi sopivinta asennusta. Hielscherin teolliset ultraääniprosessorit tunnetaan luotettavina työhevosina teollisuuslaitoksissa. Kykenee tuottamaan erittäin suuria amplitudit, Hielscher-ultraääniastiat ovat ihanteellisia korkean suorituskyvyn sovelluksiin, kuten kseenien ja muiden 2D-yksikerroksisten nanomateriaalien, kuten borofeenin, fosforeenin tai grafeenin, synteesiin sekä näiden nanorakenteiden luotettavaan dispersioon.
Erittäin tehokas ultraääni: Hielscher Ultrasonics’ Teolliset ultraääniprosessorit voivat tuottaa erittäin suuria amplitudit. Jopa 200 μm: n amplitudit voidaan helposti ajaa jatkuvasti 24/7 toiminnassa. Vielä suuremmille amplitudille on saatavana räätälöityjä ultraäänisonotrodeja.
Korkealaatuisia – Suunniteltu ja valmistettu Saksassa: Kaikki laitteet suunnitellaan ja valmistetaan pääkonttorissamme Saksassa. Ennen toimitusta asiakkaalle jokainen ultraäänilaite testataan huolellisesti täydellä kuormituksella. Pyrimme asiakastyytyväisyyteen ja tuotantomme on rakennettu täyttämään korkein laadunvarmistus (esim. ISO-sertifiointi).

Alla oleva taulukko antaa sinulle viitteitä ultraäänilaitteidemme likimääräisestä käsittelykapasiteetista: