ઝીન્સનું અલ્ટ્રાસોનિક એક્સફોલિએશન

ઝીન્સ એ 2D એકતત્ત્વીય નેનોસામગ્રીઓ છે, જે અત્યંત વિશાળ સપાટી ક્ષેત્રફળ અને ઉત્કૃષ્ટ વિદ્યુત વાહકતા અથવા તાણસામર્થ્ય સહિતના દિશા અનુસાર બદલાતા ભૌતિક / રાસાયણિક ગુણધર્મો જેવા અસાધારણ ગુણધર્મો ધરાવે છે. અલ્ટ્રાસોનિક એક્સફોલિએશન અથવા સ્તરવિયોજન એ સ્તરિત પૂર્વગામી સામગ્રીઓમાંથી એકસ્તરીય 2D નેનોશીટ્સ ઉત્પન્ન કરવાની કાર્યક્ષમ અને વિશ્વસનીય તકનીક છે. ઔદ્યોગિક પાયે ઉચ્ચ ગુણવત્તાવાળી ઝીન્સ નેનોશીટ્સના ઉત્પાદન માટે અલ્ટ્રાસોનિક એક્સફોલિએશન પહેલેથી જ સ્થાપિત પદ્ધતિ છે.

ઝીન્સ – એકસ્તરીય નેનોરચનાઓ

ઝીન્સ એ એકસ્તરીય (2D), એકતત્ત્વીય નેનોસામગ્રીઓ છે, જે ગ્રેફીન જેવી રચના, સ્તરની અંદર સહસંયોજક બંધ અને સ્તરો વચ્ચે નબળાં વાન ડર વાલ્સ બળો ધરાવે છે. ઝીન્સ વર્ગમાં આવતી સામગ્રીઓનાં ઉદાહરણોમાં બોરોફીન, સિલિસીન, જર્મેનીન, સ્ટેનીન, ફોસ્ફોરીન (કાળો ફોસ્ફરસ), આર્સેનીન, બિસ્મથીન, ટેલ્યુરીન અને એન્ટિમોનીનનો સમાવેશ થાય છે. તેમની એકસ્તરીય 2D રચનાને કારણે ઝીન્સ નેનોસામગ્રીઓ અત્યંત વિશાળ સપાટી તેમજ સુધારેલી રાસાયણિક અને ભૌતિક પ્રતિક્રિયાશીલતા ધરાવે છે. આ રચનાત્મક લક્ષણો ઝીન્સ નેનોસામગ્રીઓને પ્રભાવશાળી ફોટોનિક, ઉત્પ્રેરક, ચુંબકીય અને ઇલેક્ટ્રોનિક ગુણધર્મો આપે છે અને આ નેનોરચનાઓને અસંખ્ય ઔદ્યોગિક ઉપયોગો માટે ખૂબ જ રસપ્રદ બનાવે છે. ડાબી બાજુના ચિત્રમાં અલ્ટ્રાસોનિક રીતે એક્સફોલિએટ કરાયેલા બોરોફીનની SEM છબીઓ દર્શાવવામાં આવી છે.

અલ્ટ્રાસોનિક સ્તરવિયોજન દ્વારા ઝીન્સ નેનોસામગ્રીઓનું ઉત્પાદન

સ્તરિત નેનોસામગ્રીઓનું પ્રવાહી માધ્યમમાં એક્સફોલિએશન: એકસ્તરીય 2D નેનોશીટ્સ સ્તરિત રચના ધરાવતી અકાર્બનિક સામગ્રીઓમાંથી (દા.ત., ગ્રેફાઇટ) ઉત્પન્ન કરવામાં આવે છે. આ સામગ્રીઓ ઢીલી રીતે ગોઠવાયેલા યજમાન સ્તરોની બનેલી હોય છે, જેમાં ચોક્કસ આયનો અને/અથવા દ્રાવકોના આંતરનિવેશનથી સ્તરો વચ્ચેની જગ્યાનું વિસ્તરણ અથવા ફૂલવું જોવા મળે છે. એક્સફોલિએશનમાં સ્તરિત પ્રાવસ્થાનું વિભાજન નેનોશીટ્સમાં થાય છે. સ્તરો વચ્ચેનું સ્થિરવિદ્યુતીય આકર્ષણ ઝડપથી નબળું પડવાને કારણે થતા ફૂલવાની સાથે સામાન્ય રીતે એક્સફોલિએશન પણ થાય છે, જેનાથી અલગ-અલગ 2D સ્તરો અથવા શીટ્સનાં કોલોઇડલ વિક્ષેપણો બને છે. (cf. Geng et al, 2013) સામાન્ય રીતે એ જાણીતું છે કે ફૂલવાથી અલ્ટ્રાસોનિકેશન દ્વારા એક્સફોલિએશન સરળ બને છે અને ઋણ વિદ્યુતભાર ધરાવતી નેનોશીટ્સ બને છે. રાસાયણિક પૂર્વઉપચાર પણ દ્રાવકોમાં સોનિકેશન દ્વારા એક્સફોલિએશનને સરળ બનાવે છે. ઉદાહરણ તરીકે, કાર્યાત્મક સમૂહો ઉમેરવાથી આલ્કોહોલમાં સ્તરિત દ્વિ હાઇડ્રોક્સાઇડ્સ (LDHs)નું એક્સફોલિએશન શક્ય બને છે. (cf. Nicolosi et al., 2013)
અલ્ટ્રાસોનિક એક્સફોલિએશન / સ્તરવિયોજન માટે સ્તરિત સામગ્રીને દ્રાવકમાં શક્તિશાળી અલ્ટ્રાસોનિક તરંગોના સંપર્કમાં લાવવામાં આવે છે. જ્યારે ઊંચી ઊર્જાઘનતા ધરાવતા અલ્ટ્રાસાઉન્ડ તરંગોની ઊર્જા પ્રવાહી અથવા સ્લરીમાં સંચારિત કરવામાં આવે છે, ત્યારે ધ્વનિક, એટલે કે અલ્ટ્રાસોનિક કેવિટેશન થાય છે. અલ્ટ્રાસોનિક કેવિટેશનની વિશેષતા નિર્વાત પરપોટાઓનું તૂટી પડવું છે. અલ્ટ્રાસાઉન્ડ તરંગો પ્રવાહીમાંથી પસાર થાય છે અને વારાફરતી નીચા દબાણ / ઊંચા દબાણનાં ચક્રો ઉત્પન્ન કરે છે. નીચા દબાણના (વિરલનના) ચક્ર દરમિયાન અતિસૂક્ષ્મ નિર્વાત પરપોટા ઉદ્ભવે છે અને અનેક નીચા દબાણ / ઊંચા દબાણનાં ચક્રો દરમિયાન મોટા થાય છે. જ્યારે કેવિટેશન પરપોટો એવી સ્થિતિએ પહોંચે છે કે તે વધુ ઊર્જા શોષી શકતો નથી, ત્યારે તે પ્રચંડ રીતે અંદરની તરફ તૂટી પડે છે અને સ્થાનિક રીતે અત્યંત ઊંચી ઊર્જાઘનતા ધરાવતી પરિસ્થિતિઓ સર્જે છે. કેવિટેશનથી સર્જાતા ઉષ્ણબિંદુની વિશેષતાઓમાં અત્યંત ઊંચાં દબાણ અને તાપમાન, દબાણ અને તાપમાનના અનુરૂપ તફાવતો, ઉચ્ચ ગતિના પ્રવાહી જેટ અને કતરણ બળોનો સમાવેશ થાય છે. આ ધ્વનિજન્ય યાંત્રિક અને ધ્વનિજન્ય રાસાયણિક બળો ગોઠવાયેલા સ્તરો વચ્ચે દ્રાવકને ધકેલે છે અને સ્તરિત કણમય તથા સ્ફટિકીય રચનાઓને તોડી નાખે છે, જેનાથી એક્સફોલિએટ થયેલી નેનોશીટ્સ ઉત્પન્ન થાય છે. નીચેનો છબીક્રમ અલ્ટ્રાસોનિક કેવિટેશન દ્વારા થતી એક્સફોલિએશન પ્રક્રિયા દર્શાવે છે.

પાણીમાં ગ્રેફાઇટની પતરીકાનું ધ્વનિજન્ય યાંત્રિક એક્સફોલિએશન દર્શાવતી ફ્રેમ્સનો ઉચ્ચ ગતિનો ક્રમ (a થી f), જેમાં UP200S, એક 200W અલ્ટ્રાસોનિકેટર, 3-mm સોનોટ્રોડ સાથે ઉપયોગમાં લેવાયું છે. તીરો વિભાજનનું (એક્સફોલિએશનનું) સ્થાન દર્શાવે છે, જ્યાં કેવિટેશન પરપોટા તિરાડમાં પ્રવેશે છે.
© Tyurnina et al. 2020 (CC BY-NC-ND 4.0)

મોડેલિંગે દર્શાવ્યું છે કે જો દ્રાવકની પૃષ્ઠ ઊર્જા સ્તરીય પદાર્થની પૃષ્ઠ ઊર્જા જેવી હોય, તો એક્સફોલિએટ થયેલી અને પુનઃએકત્રિત થયેલી અવસ્થાઓ વચ્ચેનો ઊર્જાતફાવત ખૂબ નાનો હશે, જેથી પુનઃએકત્રીકરણ માટેનું પ્રેરક બળ દૂર થશે. વૈકલ્પિક હલાવવાની અને શીયર લાગુ કરવાની પદ્ધતિઓની સરખામણીમાં, અલ્ટ્રાસોનિક આંદોલકોએ એક્સફોલિએશન માટે વધુ અસરકારક ઊર્જાસ્રોત પૂરો પાડ્યો હતો, જેના પરિણામે TaS₂, NbS₂, અને MoS₂, તેમજ સ્તરીય ઑક્સાઇડોના આયન ઇન્ટરકેલેશનની સહાયથી થતા એક્સફોલિએશનનું નિદર્શન કરવામાં આવ્યું હતું. (જુઓ Nicolosi et al., 2013)

અલ્ટ્રાસોનિક રીતે પ્રવાહીમાં એક્સફોલિએટ કરેલી નેનોશીટ્સની TEM છબીઓ: (A) N-methyl-pyrrolidone દ્રાવકમાં સોનિકેશન દ્વારા એક્સફોલિએટ કરેલી ગ્રાફીન નેનોશીટ. (B) આઇસોપ્રોપેનોલ દ્રાવકમાં સોનિકેશન દ્વારા એક્સફોલિએટ કરેલી h-BN નેનોશીટ. (C) સર્ફેક્ટન્ટના જલીય દ્રાવણમાં સોનિકેશન દ્વારા એક્સફોલિએટ કરેલી MoS2 નેનોશીટ.
(અભ્યાસ અને ચિત્રો: ©Nicolosi et al., 2013)

અલ્ટ્રાસોનિક પ્રવાહી એક્સફોલિએશન માટેની કાર્યપદ્ધતિઓ

ઝીન્સ અને અન્ય એકસ્તરીય નેનોપદાર્થોના અલ્ટ્રાસોનિક એક્સફોલિએશન અને સ્તરવિભાજનનો સંશોધનમાં વ્યાપક અભ્યાસ કરવામાં આવ્યો છે અને તેને ઔદ્યોગિક ઉત્પાદનના તબક્કે સફળતાપૂર્વક સ્થાનાંતરિત કરવામાં આવ્યું છે. નીચે અમે સોનિકેશનનો ઉપયોગ કરતી પસંદગીની એક્સફોલિએશન કાર્યપદ્ધતિઓ રજૂ કરીએ છીએ.

ફોસ્ફોરીન નેનોફ્લેક્સનું અલ્ટ્રાસોનિક એક્સફોલિએશન

ફોસ્ફોરીન (કાળો ફોસ્ફરસ, BP તરીકે પણ ઓળખાય છે) એ ફોસ્ફરસના પરમાણુઓમાંથી બનેલો 2D સ્તરીય, એકતત્ત્વીય પદાર્થ છે.
Passaglia et al. (2018) ના સંશોધનમાં, MMA ની હાજરીમાં bP નું સોનિકેશનની સહાયથી પ્રવાહી-અવસ્થા એક્સફોલિએશન (LPE) કરીને અને ત્યારબાદ રેડિકલ પોલિમરાઇઝેશન દ્વારા ફોસ્ફોરીન – મિથાઇલ મેથાક્રિલેટનાં સ્થિર નિલંબનોની તૈયારી દર્શાવવામાં આવી છે. મિથાઇલ મેથાક્રિલેટ (MMA) એક પ્રવાહી મોનોમર છે.

ફોસ્ફોરીનના અલ્ટ્રાસોનિક પ્રવાહી એક્સફોલિએશન માટેની કાર્યપદ્ધતિ

માત્ર મોનોમરની હાજરીમાં LPE દ્વારા MMA_bPn, NVP_bPn, અને Sty_bPn નિલંબનો મેળવવામાં આવ્યાં હતાં. એક સામાન્ય પ્રક્રિયામાં, ખરલમાં કાળજીપૂર્વક કચડેલા ∼5 mg bP ને પરીક્ષણ નળીમાં મૂકવામાં આવ્યો હતો અને ત્યારબાદ MMA, Sty, અથવા NVP નો તોલેલો જથ્થો ઉમેરવામાં આવ્યો હતો. સોનોટ્રોડ S26d2 (ટિપનો વ્યાસ: 2 mm) થી સજ્જ Hielscher Ultrasonics હોમોજેનાઇઝર UP200St (200W, 26kHz) નો ઉપયોગ કરીને મોનોમર bP નિલંબનનું 90 min સુધી સોનિકેશન કરવામાં આવ્યું હતું. P = 7 W સાથે અલ્ટ્રાસોનિક કંપવિસ્તાર 50% પર સ્થિર રાખવામાં આવ્યો હતો. બધા કિસ્સાઓમાં, વધુ સારા ઉષ્મા વિસર્જન માટે બરફના સ્નાનનો ઉપયોગ કરવામાં આવ્યો હતો. ત્યારબાદ અંતિમ MMA_bPn, NVP_bPn, અને Sty_bPn નિલંબનોમાં 15 min સુધી N2 વાયુ ફૂંકવામાં આવ્યો હતો. બધાં નિલંબનોનું DLS દ્વારા વિશ્લેષણ કરવામાં આવ્યું હતું, જેમાં rH મૂલ્યો DMSO_bPn ના મૂલ્યની ખૂબ નજીક હોવાનું જણાયું હતું. ઉદાહરણ તરીકે, MMA_bPn નિલંબન (જેમાં bP નું પ્રમાણ લગભગ 1% હતું) નું લાક્ષણિક મૂલ્ય rH = 512 ± 58 nm હતું.
ફોસ્ફોરીન અંગેના અન્ય વૈજ્ઞાનિક અભ્યાસોમાં અલ્ટ્રાસોનિક ક્લીનરનો ઉપયોગ કરીને અનેક કલાકોનો સોનિકેશન સમય, ઊંચા ઉત્કલનબિંદુવાળા દ્રાવકો અને ઓછી કાર્યક્ષમતા નોંધવામાં આવે છે, જ્યારે Passaglia ની સંશોધક ટીમ પ્રોબ પ્રકારના અલ્ટ્રાસોનિકેટરનો ઉપયોગ કરતી અત્યંત કાર્યક્ષમ અલ્ટ્રાસોનિક એક્સફોલિએશન કાર્યપદ્ધતિ દર્શાવે છે (એટલે કે Hielscher અલ્ટ્રાસોનિકેટર મોડેલ UP200St).

એકસ્તરીય નેનોશીટ્સનું અલ્ટ્રાસોનિક એક્સફોલિએશન

બોરોફીન અને રુથેનિયમ ઑક્સાઇડ નેનોશીટ્સ માટે વધુ ચોક્કસ વિગતો અને એક્સફોલિએશન કાર્યપદ્ધતિઓ વાંચવા માટે, કૃપા કરીને નીચેની લિંક્સ અનુસરો:
બોરોફીન: સોનિકેશન કાર્યપદ્ધતિઓ અને બોરોફીનના અલ્ટ્રાસોનિક એક્સફોલિએશનનાં પરિણામો માટે, કૃપા કરીને અહીં ક્લિક કરો!
RuO2: સોનિકેશન કાર્યપદ્ધતિઓ અને રુથેનિયમ ઑક્સાઇડ નેનોશીટના અલ્ટ્રાસોનિક એક્સફોલિએશનનાં પરિણામો માટે, કૃપા કરીને અહીં ક્લિક કરો!

થોડાં સ્તરો ધરાવતી સિલિકા નેનોશીટ્સનું અલ્ટ્રાસોનિક એક્સફોલિએશન

અલ્ટ્રાસોનિક એક્સફોલિએશન દ્વારા કુદરતી વર્મિક્યુલાઇટ (Verm)માંથી થોડાં સ્તરો ધરાવતી એક્સફોલિએટેડ સિલિકા નેનોશીટ્સ તૈયાર કરવામાં આવી હતી. એક્સફોલિએટેડ સિલિકા નેનોશીટ્સના સંશ્લેષણ માટે નીચેની પ્રવાહી તબક્કાની એક્સફોલિએશન પદ્ધતિ લાગુ કરવામાં આવી હતી: 40 mg સિલિકા નેનોશીટ્સને 40 mL નિર્જળ ઇથેનોલમાં વિખેરવામાં આવી હતી. ત્યારબાદ, 7 mm સોનોટ્રોડથી સજ્જ Hielscher અલ્ટ્રાસોનિક પ્રોસેસર UP200St વડે મિશ્રણને 2 h સુધી અલ્ટ્રાસોનિક સારવાર આપવામાં આવી હતી. અલ્ટ્રાસાઉન્ડ તરંગનો કંપવિસ્તાર 70% પર સ્થિર રાખવામાં આવ્યો હતો. અતિશય ગરમી ટાળવા માટે બરફના સ્નાનનો ઉપયોગ કરવામાં આવ્યો હતો. એક્સફોલિએટ ન થયેલા SNને 1000 rpm પર 10 min સુધી અપકેન્દ્રણ કરીને દૂર કરવામાં આવ્યા હતા. અંતે, ઉપરનું પ્રવાહી નિતારીને ઉત્પાદનને અલગ કરવામાં આવ્યું હતું અને તેને શૂન્યાવકાશમાં ઓરડાના તાપમાને રાતભર સૂકવવામાં આવ્યું હતું. (cf. Guo et al., 2022)

ઝીન્સ નેનોશીટ્સના એક્સફોલિએશન માટે ઉચ્ચ શક્તિવાળા અલ્ટ્રાસાઉન્ડ પ્રોબ્સ અને રિએક્ટર્સ

Hielscher Ultrasonics દરેક કદનાં મજબૂત અને વિશ્વસનીય અલ્ટ્રાસોનિકેટર્સની રચના, ઉત્પાદન અને વિતરણ કરે છે. નાનાં પ્રયોગશાળા અલ્ટ્રાસોનિક ઉપકરણોથી લઈને ઔદ્યોગિક અલ્ટ્રાસોનિક પ્રોબ્સ અને રિએક્ટર્સ સુધી, Hielscher પાસે તમારી પ્રક્રિયા માટે આદર્શ અલ્ટ્રાસોનિક સિસ્ટમ છે. નેનોમટિરિયલ સંશ્લેષણ અને વિખેરણ જેવા ઉપયોગોમાં લાંબા સમયના અનુભવના આધારે, અમારો સુપ્રશિક્ષિત કર્મચારીવર્ગ તમારી જરૂરિયાતો માટે સૌથી યોગ્ય ગોઠવણીની ભલામણ કરશે. Hielscher ના ઔદ્યોગિક અલ્ટ્રાસોનિક પ્રોસેસર્સ ઔદ્યોગિક એકમોમાં વિશ્વસનીય રીતે સતત કામ કરતાં ઉપકરણો તરીકે જાણીતા છે. ખૂબ ઊંચો કંપવિસ્તાર પૂરો પાડવામાં સક્ષમ Hielscher અલ્ટ્રાસોનિકેટર્સ, ઝીન્સ અને બોરોફીન, ફોસ્ફોરીન અથવા ગ્રાફીન જેવા અન્ય 2D એકસ્તરીય નેનોમટિરિયલ્સના સંશ્લેષણ તેમજ આ નેનોરચનાઓના વિશ્વસનીય વિખેરણ જેવા ઉચ્ચ કાર્યક્ષમતાવાળા ઉપયોગો માટે આદર્શ છે.
અસાધારણ રીતે શક્તિશાળી અલ્ટ્રાસાઉન્ડ: Hielscher Ultrasonicsનાં ઔદ્યોગિક અલ્ટ્રાસોનિક પ્રોસેસર્સ ખૂબ ઊંચો કંપવિસ્તાર પૂરો પાડી શકે છે. 200µm સુધીના કંપવિસ્તાર સાથે 24/7 કામગીરીમાં સરળતાથી સતત ચલાવી શકાય છે. તેનાથી પણ ઊંચા કંપવિસ્તાર માટે, જરૂરિયાત મુજબ બનાવેલા અલ્ટ્રાસોનિક સોનોટ્રોડ્સ ઉપલબ્ધ છે.
સર્વોચ્ચ ગુણવત્તા – જર્મનીમાં રચના અને ઉત્પાદન: બધાં ઉપકરણોની રચના અને ઉત્પાદન જર્મનીમાં આવેલા અમારા મુખ્ય મથકમાં કરવામાં આવે છે. ગ્રાહકને પહોંચાડતાં પહેલાં, દરેક અલ્ટ્રાસોનિક ઉપકરણનું પૂર્ણ ભાર હેઠળ કાળજીપૂર્વક પરીક્ષણ કરવામાં આવે છે. અમે ગ્રાહક સંતોષ માટે પ્રયત્નશીલ છીએ અને સર્વોચ્ચ ગુણવત્તા ખાતરીની જરૂરિયાતો (દા.ત., ISO પ્રમાણન) પૂર્ણ થાય તે રીતે અમારી ઉત્પાદન વ્યવસ્થા ગોઠવવામાં આવી છે.

નીચેનું કોષ્ટક અમારા અલ્ટ્રાસોનિકેટર્સની અંદાજિત પ્રક્રિયા ક્ષમતાનો ખ્યાલ આપે છે: