Exfoliation ultrasonique des xènes

Les xènes sont des nanomatériaux 2D monoélémentaires dotés de propriétés extraordinaires telles qu'une surface très élevée, des propriétés physiques/chimiques anisotropes, notamment une conductivité électrique ou une résistance à la traction supérieures. L'exfoliation ou la délamination par ultrasons est une technique efficace et fiable pour produire des nanofeuillets 2D monocouches à partir de matériaux précurseurs stratifiés. L'exfoliation ultrasonique est déjà établie pour la production de nanofeuillets de xène de haute qualité à l'échelle industrielle.

xènes – Nanostructures monocouches

Les xènes sont des nanomatériaux monocouches (2D), monoélémentaires, qui présentent une structure semblable à celle du graphène, une liaison covalente intra-couche et de faibles forces de van der Waals entre les couches. Les exemples de matériaux appartenant à la classe des xènes sont le borophène, le silicène, le germanène, le stanène, le phosphorène (phosphore noir), l'arsenène, le bismuthène, le tellurène et l'antimonène. En raison de leur structure 2D monocouche, les nanomatériaux à base de xènes se caractérisent par une très grande surface ainsi que par des réactivités chimiques et physiques améliorées. Ces caractéristiques structurelles confèrent aux nanomatériaux de xènes d'impressionnantes propriétés photoniques, catalytiques, magnétiques et électroniques et rendent ces nanostructures très intéressantes pour de nombreuses applications industrielles. L'image de gauche montre des images SEM de borophène exfolié par ultrasons.

Production de nanomatériaux Xenes par décollement ultrasonique

Exfoliation liquide de nanomatériaux en couches : Les nanofeuillets 2D monocouches sont produits à partir de matériaux inorganiques à structure stratifiée (par exemple, le graphite) qui consistent en des couches hôtes faiblement empilées qui présentent une expansion ou un gonflement de la galerie couche par couche lors de l'intercalation de certains ions et/ou solvants. L'exfoliation, au cours de laquelle la phase stratifiée est scindée en nanofeuillets, accompagne généralement le gonflement en raison de l'affaiblissement rapide des attractions électrostatiques entre les couches, ce qui produit des dispersions colloïdales des couches ou feuillets 2D individuels. (cf. Geng et al, 2013) En général, il est connu que le gonflement facilite l'exfoliation par ultrasons et produit des nanofeuillets chargés négativement. Le prétraitement chimique facilite également l'exfoliation par sonication dans des solvants. Par exemple, la fonctionnalisation permet l'exfoliation des hydroxydes doubles stratifiés (LDH) dans les alcools. (cf. Nicolosi et al., 2013)
Pour l'exfoliation / délamination par ultrasons, le matériau stratifié est exposé à de puissantes ondes ultrasoniques dans un solvant. Lorsque des ondes ultrasonores denses en énergie sont couplées à un liquide ou à une boue, il se produit une cavitation acoustique et ultrasonique. La cavitation ultrasonique se caractérise par l'effondrement des bulles de vide. Les ondes ultrasonores se déplacent dans le liquide et génèrent des cycles alternatifs de basse pression et de haute pression. Les minuscules bulles de vide apparaissent au cours d'un cycle de basse pression (raréfaction) et se développent au cours de plusieurs cycles de basse pression / haute pression. Lorsqu'une bulle de cavitation atteint le point où elle ne peut plus absorber d'énergie, elle implose violemment et crée localement des conditions très denses en énergie. Un point chaud de cavitation est déterminé par des pressions et des températures très élevées, des différentiels de pression et de température respectifs, des jets de liquide à grande vitesse et des forces de cisaillement. Ces forces sonomécaniques et sonochimiques poussent le solvant entre les couches empilées et brisent les structures particulaires et cristallines en couches, produisant ainsi des nanofeuillets exfoliés. La séquence d'images ci-dessous illustre le processus d'exfoliation par cavitation ultrasonique.

Séquence à grande vitesse (de a à f) d'images illustrant l'exfoliation sono-mécanique d'un flocon de graphite dans l'eau à l'aide de l'instrument de mesure de l'humidité de l'eau. UP200S, un appareil à ultrasons de 200 W avec une sonotrode de 3 mm. Les flèches montrent l'endroit de la scission (exfoliation) avec des bulles de cavitation pénétrant dans la scission.
© Tyurnina et al. 2020 (CC BY-NC-ND 4.0)

La modélisation a montré que si l'énergie de surface du solvant est similaire à celle du matériau stratifié, la différence d'énergie entre l'état exfolié et l'état réagrégé sera très faible, ce qui éliminera la force motrice de la réagrégation. Comparés à d'autres méthodes d'agitation et de cisaillement, les agitateurs ultrasoniques ont fourni une source d'énergie plus efficace pour l'exfoliation, ce qui a permis de démontrer l'exfoliation assistée par intercalation ionique de TaS₂, NbS₂et MoS₂ainsi que des oxydes en couches. (cf. Nicolosi et al., 2013)

Images TEM de nanofeuillets exfoliés par liquide ultrasonique : (A) Nanofeuillets de graphène exfoliés par sonication dans le solvant N-méthyl-pyrrolidone. (B) Une feuille de nanoparticules de h-BN exfoliée par sonication dans le solvant isopropanol. (C) Feuillets de MoS2 exfoliés par sonication dans une solution aqueuse de tensioactifs.
(Étude et photos : ©Nicolosi et al., 2013)

Protocoles d'exfoliation liquide par ultrasons

L'exfoliation et la délamination par ultrasons des xènes et d'autres nanomatériaux monocouches ont fait l'objet d'études approfondies dans le domaine de la recherche et ont été transférées avec succès au stade de la production industrielle. Nous vous présentons ci-dessous une sélection de protocoles d'exfoliation par sonication.

Exfoliation ultrasonique de nanoflocons de phosphore

Le phosphorène (également connu sous le nom de phosphore noir, BP) est un matériau monoélémentaire à deux couches formé d'atomes de phosphore.
Dans la recherche de Passaglia et al. (2018), la préparation de suspensions stables de phosphorène - méthacrylate de méthyle par exfoliation en phase liquide (LPE) assistée par sonication de bP en présence de MMA suivie d'une polymérisation radicalaire est démontrée. Le méthacrylate de méthyle (MMA) est un monomère liquide.

Protocole pour l'exfoliation liquide ultrasonique du phosphorène

Les suspensions MMA_bPn, NVP_bPn et Sty_bPn ont été obtenues par LPE en présence du seul monomère. Dans une procédure typique, ∼5 mg de bP, soigneusement broyés dans un mortier, ont été placés dans un tube à essai, puis une quantité pondérée de MMA, de Sty ou de NVP a été ajoutée. La suspension de monomère bP a été soniquée pendant 90 minutes à l'aide d'un homogénéisateur Hielscher Ultrasonics UP200St (200W, 26kHz), équipé d'une sonotrode S26d2 (diamètre de la pointe : 2 mm). L'amplitude ultrasonique a été maintenue constante à 50% avec P = 7 W. Dans tous les cas, un bain de glace a été utilisé pour une meilleure dissipation de la chaleur. Les suspensions finales de MMA_bPn, NVP_bPn et Sty_bPn ont ensuite été insufflées avec du N2 pendant 15 minutes. Toutes les suspensions ont été analysées par DLS, montrant des valeurs rH très proches de celles du DMSO_bPn. Par exemple, la suspension MMA_bPn (contenant environ 1% de bP) a été caractérisée par rH = 512 ± 58 nm.
Alors que d'autres études scientifiques sur le phosphore font état d'un temps de sonication de plusieurs heures en utilisant un nettoyeur à ultrasons, des solvants à point d'ébullition élevé et une faible efficacité, l'équipe de recherche de Passaglia a démontré un protocole d'exfoliation par ultrasons très efficace en utilisant un ultrasonateur de type sonde (à savoir le Hielscher ultrasonator modèle UP200St).

Exfoliation ultrasonique de nanofeuillets monocouches

Pour plus de détails et de protocoles d'exfoliation pour les nanosheets de borophène et d'oxyde de ruthénium, veuillez suivre les liens ci-dessous :
Borophène : Pour les protocoles de sonication et les résultats de l'exfoliation ultrasonique du borophène, veuillez cliquer ici !
RuO2 : Pour les protocoles de sonication et les résultats de l'exfoliation ultrasonique de feuilles d'oxyde de ruthénium, veuillez cliquer ici !

Exfoliation ultrasonique de feuilles de silice à faible épaisseur

Des nanofeuillets de silice exfoliée à faible couche ont été préparés à partir de vermiculite naturelle (Verm) par exfoliation ultrasonique. La méthode d'exfoliation en phase liquide suivante a été appliquée pour la synthèse des nanofeuillets de silice exfoliée : 40 mg de nanofeuillets de silice ont été dispersés dans 40 ml d'éthanol absolu. Ensuite, le mélange a été soumis à des ultrasons pendant 2 heures à l'aide d'un processeur ultrasonique Hielscher UP200St, équipé d'une sonotrode de 7 mm. L'amplitude de l'onde ultrasonore a été maintenue constante à 70 %. Un bain de glace a été appliqué pour éviter toute surchauffe. Les SN non exfoliés ont été éliminés par centrifugation à 1000 rpm pendant 10 minutes. Enfin, le produit a été décanté et séché à température ambiante sous vide pendant une nuit. (cf. Guo et al., 2022)

Sondes et réacteurs à ultrasons de haute puissance pour l'exfoliation de nanosheets de xènes

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Le tableau ci-dessous vous donne une indication de la capacité de traitement approximative de nos ultrasons :