કાર્બન નેનોટ્યુબ્સ (CNT)નું અલ્ટ્રાસોનિક વિખેરણ

કાર્બન નેનોટ્યુબ્સ મજબૂત અને લવચીક હોય છે, પરંતુ એકબીજા સાથે ખૂબ જ ચોંટેલી રહે છે. તેમને પાણી, ઇથેનોલ, તેલ, પોલિમર અથવા ઇપોક્સી રેઝિન જેવા પ્રવાહીઓમાં વિખેરવી મુશ્કેલ હોય છે. અલગ-અલગ – એકલ સ્વરૂપે વિખેરાયેલી – કાર્બન નેનોટ્યુબ્સ મેળવવા માટે અલ્ટ્રાસાઉન્ડ એક અસરકારક પદ્ધતિ છે.

કાર્બન નેનોટ્યુબ્સ (CNT)નો ઉપયોગ એડહેસિવ્સ, કોટિંગ્સ અને પોલિમર્સમાં થાય છે. વિદ્યુત ઉપકરણોમાં અને સ્થિરવિદ્યુતીય પદ્ધતિથી રંગી શકાય તેવી વાહનોની બોડી પેનલ્સમાં સ્થિર વિદ્યુતભાર દૂર કરવા માટે પ્લાસ્ટિકમાં વિદ્યુતવાહક પૂરક પદાર્થો તરીકે પણ તેમનો ઉપયોગ થાય છે. નેનોટ્યુબ્સના ઉપયોગથી પોલિમર્સને તાપમાન, તીવ્ર રસાયણો, ક્ષયકારી વાતાવરણ, અત્યંત ઊંચા દબાણ અને ઘર્ષણ સામે વધુ પ્રતિરોધક બનાવી શકાય છે. કાર્બન નેનોટ્યુબ્સની બે શ્રેણીઓ છે: એક દીવાલવાળી નેનોટ્યુબ્સ (SWNT) અને બહુદીવાલવાળી નેનોટ્યુબ્સ (MWNT).

કાર્બન નેનોટ્યુબ્સ સામાન્ય રીતે સૂકી સામગ્રી તરીકે ઉપલબ્ધ હોય છે, ઉદાહરણ તરીકે, SES Research અથવા CNT Co., Ltd. જેવી કંપનીઓ પાસેથી. નેનોટ્યુબ્સની ક્ષમતાનો મહત્તમ ઉપયોગ કરવા માટે તેમના સમૂહો છૂટા પાડવાની સરળ, વિશ્વસનીય અને મોટા પાયે વિસ્તારી શકાય તેવી પ્રક્રિયા જરૂરી છે. 1,00,000cP સુધીની સ્નિગ્ધતા ધરાવતાં પ્રવાહીઓ માટે, ઓછી કે ઊંચી સાંદ્રતાએ પાણી, તેલ અથવા પોલિમર્સમાં નેનોટ્યુબ્સ વિખેરવા માટે અલ્ટ્રાસાઉન્ડ ખૂબ જ અસરકારક તકનીક છે. પ્રવાહીના જેટ પ્રવાહો અલ્ટ્રાસોનિક કેવિટેશનથી ઉદ્ભવે છે, નેનોટ્યુબ્સ વચ્ચેના બંધનબળોને વટાવે છે અને ટ્યુબ્સને અલગ કરે છે. અલ્ટ્રાસોનિક રીતે ઉત્પન્ન થતાં કતરણ બળો અને સૂક્ષ્મ પ્રક્ષુબ્ધતાઓને કારણે, અલ્ટ્રાસાઉન્ડ નેનોટ્યુબ્સની સપાટી પર કોટિંગ કરવામાં અને અન્ય સામગ્રીઓ સાથે તેમની રાસાયણિક પ્રતિક્રિયામાં પણ મદદ કરી શકે છે.

સામાન્ય રીતે, નેનોટ્યુબ્સના સ્થૂળ વિખેરણને પહેલાં પ્રમાણભૂત સ્ટિરર વડે પૂર્વમિશ્રિત કરવામાં આવે છે અને પછી અલ્ટ્રાસોનિક ફ્લો સેલ રિએક્ટરમાં સમાનરૂપ બનાવવામાં આવે છે. નીચેનો વિડિયો પ્રયોગશાળાનો એક પ્રયોગ દર્શાવે છે, જેમાં બહુદીવાલવાળી કાર્બન નેનોટ્યુબ્સને પાણીમાં ઓછી સાંદ્રતાએ વિખેરવામાં આવે છે (બેચ સોનિકેશન માટે UP400Sનો ઉપયોગ કરીને). કાર્બનના રાસાયણિક સ્વભાવને કારણે પાણીમાં નેનોટ્યુબ્સનું વિખેરણ કરવું પ્રમાણમાં મુશ્કેલ હોય છે. વિડિયોમાં દર્શાવ્યા મુજબ, અલ્ટ્રાસોનિકેશન નેનોટ્યુબ્સને અસરકારક રીતે વિખેરી શકે છે તે સરળતાથી દર્શાવી શકાય છે.

કાર્બન નેનોટ્યૂબનું અલ્ટ્રાસોનિક વિક્ષેપન: Hielscher અલ્ટ્રાસોનિકેટર UP400S (400W) CNTsને ઝડપથી અને કાર્યક્ષમ રીતે વિક્ષેપિત કરે છે અને તેમની ગૂંચ ઉકેલીને અલગ નેનોટ્યૂબ બનાવે છે.

વધુ લંબાઈ ધરાવતી એકલ SWNTsનું વિખેરણ

SWNTsની પ્રક્રિયા અને હેરફેરમાં એક મોટી સમસ્યા એ છે કે આ ટ્યુબ્સ સામાન્ય કાર્બનિક દ્રાવકો અને પાણીમાં સ્વાભાવિક રીતે અદ્રાવ્ય હોય છે. SWNTs અને દ્રાવક વચ્ચે યોગ્ય આંતરપૃષ્ઠ બનાવવા માટે નેનોટ્યુબ્સની બાજુની દીવાલ અથવા ખુલ્લા છેડાઓનું કાર્યાત્મક સમૂહીકરણ કરવામાં આવે ત્યારે મોટેભાગે SWNTsના દોરડા જેવા સમૂહો માત્ર આંશિક રીતે જ છૂટા પડે છે.
પરિણામે, SWNTs સામાન્ય રીતે સંપૂર્ણપણે અલગ પડેલા એકલ પદાર્થો તરીકે વિખેરાવાને બદલે જૂથો તરીકે વિખેરાય છે. વિખેરણ દરમિયાન અતિશય કઠોર પરિસ્થિતિઓ લાગુ કરવામાં આવે ત્યારે SWNTs ટૂંકી થઈને 80 અને 200nm વચ્ચેની લંબાઈની થઈ જાય છે. અમુક પરીક્ષણો માટે આ ઉપયોગી હોવા છતાં, અર્ધવાહક અથવા પ્રબલન આપતી SWNTs જેવા મોટાભાગના વ્યવહારુ ઉપયોગો માટે આ લંબાઈ ખૂબ ઓછી છે. નિયંત્રિત, હળવી અલ્ટ્રાસોનિક સારવાર (ઉદાહરણ તરીકે, 40mm સોનોટ્રોડ ધરાવતા UP200Ht વડે) લાંબી એકલ SWNTsનાં જલીય વિખેરણો તૈયાર કરવાની અસરકારક પ્રક્રિયા છે. હળવા અલ્ટ્રાસોનિકેશનના ક્રમો ટૂંકા થવાની પ્રક્રિયાને ન્યૂનતમ કરે છે અને માળખાકીય તથા ઇલેક્ટ્રોનિક ગુણધર્મોની મહત્તમ જાળવણી શક્ય બનાવે છે.

પોલિમરની સહાયથી અલ્ટ્રાસોનિકેશન દ્વારા SWNTનું શુદ્ધીકરણ

SWNTsના રાસાયણિક રૂપાંતરણનો આણ્વિક સ્તરે અભ્યાસ કરવો મુશ્કેલ છે, કારણ કે શુદ્ધ SWNTs મેળવવી મુશ્કેલ છે. ઉગાડ્યા પછીની મૂળ સ્થિતિમાં રહેલી SWNTsમાં ધાતુના કણો અને અસ્ફટિકીય કાર્બન જેવી ઘણી અશુદ્ધિઓ હોય છે. મોનોક્લોરોબેન્ઝીન (MCB)માં પોલિ(મિથાઇલ મેથાક્રિલેટ) PMMAના દ્રાવણમાં SWNTsનું અલ્ટ્રાસોનિકેશન કરીને ત્યારબાદ ગાળણ કરવું એ SWNTsને શુદ્ધ કરવાની અસરકારક રીત છે. પોલિમરની સહાયથી થતી આ શુદ્ધીકરણ પદ્ધતિ ઉગાડ્યા પછીની મૂળ સ્થિતિમાં રહેલી SWNTsમાંથી અશુદ્ધિઓ અસરકારક રીતે દૂર કરવા દે છે. (Yudasaka et al.) અલ્ટ્રાસોનિકેશનના કંપનવિસ્તારનું ચોક્કસ નિયંત્રણ SWNTsને થતું નુકસાન મર્યાદિત કરવા દે છે.

Hielscher નાં અલ્ટ્રાસોનિક ઉપકરણોની વિશાળ શ્રેણી અને સહાયક સાધનો નેનોટ્યુબ્સના કાર્યક્ષમ વિખેરણ માટે છે.

• કોમ્પેક્ટ પ્રયોગશાળા ઉપકરણો, જે મહત્તમ 400 વોટની અલ્ટ્રાસાઉન્ડ શક્તિ ધરાવે છે, તેનો ઉપયોગ 2 લિટર સુધીના નાના કદનાં પ્રવાહી જથ્થાઓમાં વિખેરણ માટે થાય છે.
• UIP500hdT, UIP1000hdT અને UIP1500hdT એવાં અલ્ટ્રાસોનિક પ્રોસેસર્સ છે જે વધુ મોટા કદનાં પ્રવાહી જથ્થાઓની પ્રક્રિયા કરી શકે છે.
• અલ્ટ્રાસોનિક સિસ્ટમ્સ, જેની શક્તિ 2kW (UIP2000hdT) અને 4kW (UIP4000hdT) હોય છે, તેનો ઉપયોગ ઉત્પાદનના પાયે કાર્બન નેનોટ્યુબ્સના વિખેરણ માટે કરી શકાય છે. UIP10000 (10 કિલોવોટ) અને UIP16000 (16 કિલોવોટ) નો ઉપયોગ કાર્બન નેનોટ્યુબ્સની મોટા પાયે પ્રક્રિયા માટે અનેક અલગ એકમોના સમૂહોમાં કરી શકાય છે.”

સંદર્ભસાહિત્ય

• 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.