ננו־צינוריות בור ניטריד – קילוף ופיזור באמצעות סוניקציה

טיפול אולטרסוני מיושם בהצלחה לעיבוד ולפיזור של ננו־צינוריות בור ניטריד (BNNTs). סוניקציה בעוצמה גבוהה מאפשרת התרת סבכים ופיזור אחידים בתמיסות שונות, ולכן היא טכניקת עיבוד חיונית לשילוב BNNTs בתמיסות ובמטריצות.

עיבוד אולטרסוני של ננו־צינוריות בור ניטריד

כדי לשלב ננו־צינוריות בור ניטריד (BNNTs) או ננו־מבנים של בור ניטריד (BNNs), כגון ננו־יריעות וננו־סרטים, בתמיסות נוזליות או במטריצות פולימריות, נדרשת טכניקת פיזור יעילה ואמינה. פיזור אולטרסוני מספק את האנרגיה הדרושה לקילוף, להתרת סבכים, לפיזור ולפונקציונליזציה של ננו־צינוריות בור ניטריד וננו־מבנים של בור ניטריד ביעילות גבוהה. פרמטרי העיבוד של אולטרסאונד בעוצמה גבוהה (כלומר אנרגיה, משרעת, זמן, טמפרטורה ולחץ), הניתנים לבקרה מדויקת, מאפשרים להתאים באופן פרטני את תנאי העיבוד למטרת התהליך הרצויה. משמעות הדבר היא שניתן להתאים את עוצמת האולטרסאונד לפורמולציה המסוימת (איכות ה־BNNTs, הממס, ריכוז המוצק בנוזל וכו'), וכך להשיג תוצאות מיטביות.

יישומי העיבוד האולטרסוני של BNNTs ו־BNNs מכסים את כל הטווח, החל מפיזור אחיד של ננו־מבנים דו־ממדיים של בור ניטריד (2D-BNNs), דרך הפונקציונליזציה שלהם ועד לקילוף כימי של בור ניטריד משושה חד־שכבתי. להלן נציג את הפרטים על פיזור אולטרסוני, קילוף ופונקציונליזציה של BNNTs ו־BNNs.

פיזור אולטרסוני של ננו־צינוריות בור ניטריד

כאשר משתמשים בננו־צינוריות בור ניטריד (BNNTs) לחיזוק פולימרים או לסינתזה של חומרים חדשים, נדרש פיזור אחיד ואמין בתוך המטריצה. מפזרים אולטרסוניים משמשים בהיקף נרחב לפיזור ננו־חומרים כגון CNTs, ננו־חלקיקים מתכתיים, חלקיקי ליבה־מעטפת וסוגים אחרים של ננו־חלקיקים בתוך פאזה שנייה.
פיזור אולטרסוני יושם בהצלחה להתרת סבכים ולפיזור אחיד של BNNTs בתמיסות מימיות ולא־מימיות, לרבות אתנול, אתנול המכיל PVP ואתנול המכיל TX100, וכן בפולימרים שונים (למשל פוליאוריתן).
חומר פעיל שטח נפוץ לייצוב דיספרסיית BNNTs שהוכנה בטיפול אולטרסוני הוא תמיסת נתרן דודציל סולפט (SDS) בריכוז 1%wt. לדוגמה, מפזרים 5 mg של BNNTs בטיפול אולטרסוני בבקבוקון המכיל 5 mL של תמיסת SDS בריכוז 1%wt. באמצעות מפזר אולטרסוני מסוג גשוש, כגון UP200St (26kHz, 200W).

פיזור מימי של BNNTs באמצעות אולטרסאונד

בשל אינטראקציות ואן דר ואלס החזקות שלהן ופני השטח ההידרופוביים שלהן, ננו־צינוריות בור ניטריד מתפזרות בקושי בתמיסות על בסיס מים. כדי לפתור בעיות אלה, Jeon et al. (2019) השתמשו ב־Pluronic P85 וב־F127, המכילים הן קבוצות הידרופיליות והן קבוצות הידרופוביות, לביצוע פונקציונליזציה של BNNT במהלך סוניקציה.

קילוף ננו־יריעות בור ניטריד ללא חומרים פעילי שטח באמצעות סוניקציה

Lin et al. (2011) מציגים שיטה נקייה לקילוף ולפיזור של בורון ניטריד הקסגונלי (h-BN). באופן מסורתי, בורון ניטריד הקסגונלי נחשב בלתי מסיס במים. עם זאת, הם הצליחו להדגים כי מים יעילים לקילוף מבני h-BN שכבתיים באמצעות אולטרסאונד, תוך יצירת תרחיפים מימיים ״נקיים״ של ננו־יריעות h-BN ללא שימוש בחומרים פעילי שטח או בפונקציונליזציה אורגנית. תהליך קילוף אולטרסוני זה הניב ננו־יריעות h-BN בעלות שכבות מעטות, וכן מינים של ננו־יריעות וננו־סרטים חד־שכבתיים. לרוב ננו־היריעות היו ממדים רוחביים מופחתים, והדבר יוחס לחיתוך יריעות ה-h-BN המקוריות שנגרם מהידרוליזה בסיוע סוניקציה (כפי שאושש בבדיקת האמוניה ובתוצאות הספקטרוסקופיה). ההידרוליזה שהושרתה באמצעות אולטרסאונד קידמה גם את קילוף ננו־יריעות ה-h-BN, בסיוע השפעת הקוטביות של הממס. ננו־יריעות ה-h-BN בתרחיפים מימיים ״נקיים״ אלה הפגינו יכולת עיבוד טובה בשיטות המבוססות על תמיסה, תוך שמירה על מאפייניהן הפיזיקליים. ננו־יריעות ה-h-BN שפוזרו במים הפגינו גם זיקה חזקה לחלבונים כגון פריטין, דבר המרמז כי פני השטח של ננו־היריעות היו זמינים לצימודים ביולוגיים נוספים.

שיטת הפיזור הסונו־מכנית, המשתמשת בקוויטציה אולטרסונית ובכוחות גזירה, היא גישת ערבוב פיזיקלית בלבד, שהוכחה כמסוגלת להפריד צברים של BNNTs ולייצב BNNTs בודדות תוך שמירה על שלמותן ועל תכונותיהן הפנימיות. באמצעות הפעלת אנרגיה אולטרסונית מתאימה (Ws/mL), כלומר משרעת ומשך סוניקציה מותאמים, פיזור אולטרסוני יכול להתיר הסתבכויות ולפזר BNNTS באופן אחיד. ניתן להפעיל משרעות גבוהות יותר וסוניקציה ממושכת יותר אם יש צורך להפחית את אורכן של ננו־צינוריות הבורון ניטריד. קראו עוד על הקטנת גודל וקיצור האורך של BNNTs באמצעות אולטרסאונד בסעיף הבא.

הקטנת גודל וחיתוך של ננו־צינוריות בורון ניטריד באמצעות אולטרסאונד

לאורכן של ננו־צינוריות בורון ניטריד יש תפקיד מכריע בעיבוד הבא של BNNTs לשילובן בפולימרים ובחומרים אחרים שעברו פונקציונליזציה. לכן חשוב לדעת שסוניקציה של BNNTs בממס יכולה לא רק להפריד אותן לצינוריות בודדות, אלא גם לקצר את ה-BNNTs בעלות המבנה דמוי הבמבוק בתנאים מבוקרים. ל-BNNTs המקוצרות יש סיכוי נמוך בהרבה להתקבץ לצברים במהלך הכנת חומר מרוכב. Lee at al. (2012) הדגימו כי ניתן לקצר ביעילות את אורכן של BNNTs שעברו פונקציונליזציה מ->10µm ל-∼500nm באמצעות אולטרסאונד. הניסויים שלהם מצביעים על כך שפיזור אולטרסוני יעיל של BNNT בתמיסה נחוץ להקטנת גודל ולחיתוך כאלה של BNNT.

מכשירי אולטרסאונד בעלי ביצועים גבוהים לעיבוד BNNT

התכונות החכמות של המכשירים האולטרסוניים של Hielscher נועדו להבטיח פעולה אמינה, תוצאות הניתנות לשחזור וידידותיות למשתמש. ניתן לגשת בקלות להגדרות ההפעלה ולכוונן אותן באמצעות תפריט אינטואיטיבי, שאליו ניתן לגשת דרך מסך מגע צבעוני דיגיטלי ובאמצעות שליטה מרחוק דרך הדפדפן. לפיכך, כל תנאי העיבוד, כגון אנרגיה נטו, אנרגיה כוללת, משרעת, זמן, לחץ וטמפרטורה, מתועדים אוטומטית בכרטיס SD מובנה. כך ניתן לבחון ולהשוות מחזורי סוניקציה קודמים ולמטב את תהליך קילוף השכבות והפיזור של ננו-צינוריות בורון ניטריד וננו-חומרים להשגת היעילות הגבוהה ביותר.
מערכות Hielscher Ultrasonics משמשות ברחבי העולם לייצור BNNTs באיכות גבוהה. המכשירים האולטרסוניים התעשייתיים של Hielscher יכולים לפעול בקלות במשרעות גבוהות בהפעלה רציפה (24/7/365). ניתן ליצור בקלות וברציפות משרעות של עד 200µm באמצעות סונוטרודות סטנדרטיות (גשושים אולטרסוניים / קרניים אולטרסוניות). למשרעות גבוהות אף יותר, זמינות סונוטרודות אולטרסוניות מותאמות אישית. בזכות עמידותן וצורכי התחזוקה המועטים שלהן, מערכות קילוף השכבות והפיזור האולטרסוניות שלנו מותקנות לעיתים קרובות ליישומים בעומס עבודה כבד ובסביבות תובעניות.
המעבדים האולטרסוניים התעשייתיים של Hielscher Ultrasonics יכולים לספק משרעות גבוהות מאוד. ניתן לפעול בקלות וברציפות במשרעות של עד 200µm בהפעלה של 24/7. למשרעות גבוהות אף יותר, זמינות סונוטרודות אולטרסוניות מותאמות אישית.
המעבדים האולטרסוניים של Hielscher לפיזור ולקילוף שכבות של ננו-צינוריות בורון ניטריד, וכן של CNTs וגרפן, כבר מותקנים ברחבי העולם בקנה מידה מסחרי. צרו איתנו קשר כעת כדי לדון בתהליך ייצור ה-BNNT שלכם! הצוות המנוסה שלנו ישמח לחלוק מידע נוסף על תהליך קילוף השכבות, על המערכות האולטרסוניות ועל התמחור!
הטבלה שלהלן מספקת אומדן של כושר העיבוד המשוער של המכשירים האולטרסוניים שלנו: