ננו-טסיות גרפן (GNPs) ניתנות לסנתזה ולפיזור ביעילות ובאמינות גבוהות באמצעות סוניקטורים. אולטרסוניקציה בעוצמה גבוהה משמשת לקילוף גרפיט ולקבלת גרפן בעל שכבות מעטות, המכונה לעתים קרובות ננו-טסיות גרפן. סוניקציה מצטיינת גם בהשגת פיזור ננו-טסיות מעולה של גרפן הן בתרחיפים נמוכים והן צמיגים מאוד.

עיבוד ננו-טסיות גרפן – תוצאות מעולות עם סוניקציה

עבור עיבוד ננו-טסיות גרפן, סוניקטורים מסוג בדיקה הם הכלי היעיל, האמין והקל ביותר לשימוש. מכיוון שניתן ליישם אולטרסוניקציה לסינתזה, פיזור ופונקציונליות של ננו-טסיות גרפן, סוניקטורים משמשים ליישומים רבים הקשורים לגרפן:

• פילינג וסינתזה סוניקטורים מסוג בדיקה משמשים לקילוף גרפיט לננו-טסיות גרפן או גרפן בשכבות מעטות. האולטרה-סוניקציה בעוצמה גבוהה משבשת את הכוחות הבין-שכבתיים ומפרקת את הגרפיט ליריעות קטנות ובודדות יותר של גרפן.
• פיזור השגת פיזור אחיד של ננו-טסיות גרפן בתווך נוזלי היא חיונית לכל היישומים הקשורים לגרפן. סוניקטורים מסוג בדיקה יכולים לפזר את ננו-טסיות באופן שווה ברחבי הנוזל, למנוע הצטברות ולהבטיח השעיה יציבה.
• פונקציונליזציה: סוניקציה מאפשרת את הפונקציונליזציה של ננו-טסיות גרפן על ידי קידום החיבור של קבוצות פונקציונליות או מולקולות על פני השטח שלהם. פונקציונליות זו משפרת את התאימות שלהם עם פולימרים או חומרים ספציפיים.

סינתזת ננו-טסיות גרפן באמצעות סוניקציה

ניתן לסנתז ננו-טסיות גרפן על ידי פילינג גרפיט בסיוע אולטרה-סאונד. לכן, השעיית גרפיט הוא sonicated באמצעות הומוגנייזר קולי מסוג בדיקה. הליך זה נבדק בריכוזים נמוכים מאוד (למשל 4wt% ומטה) עד מוצקים גבוהים (למשל 10wt% ומעלה).
 
Ghanem and Rehim (2018) report the ultrasonic exfoliation of graphite in water with the aid of sodium dodecyl benzene sulfonate (SDS) in order to prepare dispersed graphene nanoplatelets using a the probe-type sonicator UP 100H allowed for the successful preparation of defect-free few-layer graphene (>5). The following precursor was used: reduced graphene nanosheets were prepared via Hummer method and treated with two additional steps, oxidation of graphite followed by reduction of graphene oxide. Thereby, dispersed graphene nanoplatelets were obtained in water via solvent dispersion method (see scheme below). Graphite layers were exfoliated with sonication using the probe-type sonicator UP100H (100 W). 0.25 g SDS was dissolved in 150 mL deionized water and then 0.5 g of graphite was added. The graphite solution was sonicated for 12h in an ice bath and then the suspension solution was centrifuged at 686× g for 30 min to remove the large particles. The precipitate was discarded and supernatant was re-centrifuged for 90 min at 12,600× g. The obtained dispersed graphene nanoplatelets were washed well several times to get rid of the surfactant. Finally, the product was dried at 60ºC under vacuum.

תמונות מיקרוסקופ אלקטרונים ברזולוציה גבוהה של ננו-יריעות גרפן שהתקבלו
באמצעות פיזור פאזה מימית בסיוע אולטרסאונד ושיטת האמר.
(מחקר וגרפיקה: Ghanem and Rehim, 2018)

מה ההבדל בין יריעות גרפן לננו-טסיות?

יריעות גרפן וננו-טסיות גרפן הן שתיהן ננו-חומרים המורכבים מגרפן, שהוא שכבה אחת של אטומי פחמן המסודרים בסריג משושה. לפעמים, יריעות גרפן וננו-טסיות גרפן משמשות כמונחים הניתנים להחלפה. אבל מבחינה מדעית, ישנם כמה הבדלים בין ננו-חומרים אלה של גרפן: ההבדל העיקרי בין יריעות גרפן לבין ננו-טסיות גרפן טמון במבנה ובעובי שלהן. יריעות גרפן מורכבות משכבה אחת של אטומי פחמן והן דקות במיוחד, בעוד שננו-טסיות גרפן עבות יותר ומורכבות משכבות גרפן מוערמות. הבדלים מבניים אלה יכולים להשפיע על תכונותיהם והתאמתם ליישומים ספציפיים. השימוש בסוניקטורים מסוג גשושית הוא טכניקה יעילה ויעילה ביותר לסנתז, לפזר ולתפקד יריעות גרפן חד-שכבתיות של גרפן, כמו גם ננו-טסיות גרפן מוערמות.

הדמיה גרפית של הסינתזה העל-קולית של ננו-טסיות גרפן באמצעות הסוניקטור UP100H
(מחקר וגרפיקה: Ghanem and Rehim, 2018)

פיזור ננו-טסיות גרפן באמצעות סוניקציה

הפיזור האחיד של ננו-טסיות גרפן (GNPs) הוא חיוני ביישומים שונים מכיוון שהוא משפיע ישירות על התכונות והביצועים של החומרים או המוצרים המתקבלים. לכן, סוניקטורים מותקנים עבור פיזור ננו-טסיות גרפן בתעשיות שונות. התעשיות הבאות הן דוגמאות בולטות לשימוש באולטרסאונד כוח:
 

• ננו-חומרים מרוכבים: ננו-טסיות גרפן יכולות להיות משולבות בחומרים ננו-מרוכבים שונים, כגון פולימרים, כדי לשפר את התכונות המכניות, החשמליות והתרמיות שלהם. סוניקטורים מסוג גשושית מסייעים בפיזור אחיד של ננו-טסיות הדם בתוך מטריצת הפולימר, וכתוצאה מכך ביצועי חומר משופרים.
• אלקטרודות וסוללות: ננו-טסיות גרפן משמשות בפיתוח אלקטרודות בעלות ביצועים גבוהים עבור סוללות וקבלי-על. סוניקציה מסייעת ליצור חומרי אלקטרודות מבוססי גרפן מפוזרים היטב עם שטח פנים גדול יותר, מה שמשפר את יכולות אחסון האנרגיה.
• קטליזה: ניתן להשתמש בסוניקציה להכנת חומרים קטליטיים המבוססים על ננו-טסיות גרפן. הפיזור האחיד של ננו-חלקיקים קטליטיים על פני הגרפן יכול להגביר את הפעילות הקטליטית בתגובות שונות.
• חיישנים: ננו-טסיות גרפן יכולות לשמש לייצור חיישנים עבור יישומים שונים, כולל חישת גזים, חישה ביולוגית וניטור סביבתי. סוניקציה מבטיחה פיזור הומוגני של ננו-טסיות הדם בחומרי חיישן, מה שמוביל לשיפור הרגישות והביצועים.
• ציפויים וסרטים: סוניקטורים מסוג גשושית משמשים להכנת ציפויים וסרטים מבוססי ננו-טסיות גרפן ליישומים באלקטרוניקה, תעופה וחלל וציפויי מגן. פיזור אחיד והיצמדות נכונה למצעים חיוניים ליישומים אלה.
• יישומים ביו-רפואיים: ביישומים ביו-רפואיים, ננו-טסיות גרפן יכולות לשמש להעברת תרופות, הדמיה והנדסת רקמות. סוניקציה מסייעת בהכנת ננו-חלקיקים וחומרים מרוכבים מבוססי גרפן המשמשים ביישומים אלה.

תמונות SEM של ננו-טסיות גרפן ב-(b) X3000 ו-(c) X8000
(מחקר ותמונות: ©Alizadeh et al., 2018)

תוצאות מוכחות מדעית לפיזור ננו-טסיות של גרפן על-קולי

מדענים השתמשו בסוניקטורים של Hielscher לסינתזה ופיזור של ננו-טסיות גרפן במחקרים רבים ובדקו את ההשפעות של אולטרה-סוניקציה במרץ. להלן מספר דוגמאות לערבוב מוצלח של ננו-טסיות גרפן לתערובות שונות כגון תרחיפים מימיים, שרפים אקספויים או טיט.
 
הליך נפוץ לפיזור אחיד אמין ומהיר של ננו-טסיות גרפן הוא ההליך הבא:
לצורך פיזור, ננו-טסיות הגרפן עברו סוניקציה בתוך אצטון טהור באמצעות המיקסר העל-קולי UP400S של Hielscher במשך כמעט שעה על מנת למנוע הצטברות של יריעות גרפן. אצטון הוסר לחלוטין על ידי אידוי. לאחר מכן, ננו-טסיות הגרפן נוספו ב-1 wt % ממערכת האפוקסי ועברו סוניקציה בשרף האפוקסי ב-90W למשך 15 דקות.
(ראה: Cakir et al., 2016)
 
מחקר אחר חוקר את החיזוק של ננו-נוזלים יוניים מבוססי נוזל (ionanofluids) על ידי הוספת ננו-טסיות גרפן. לפיזור מעולה, התערובת של ננו-טסיות גרפן, נוזל יוני ונתרן דודציל בנזן סולפונט הייתה הומוגנית באמצעות הסוניקטור מסוג Hielscher מסוג Probe UP200S במשך כ-90 דקות.
(ראה: עליזאדה ואח', 2018)

 
Tragazikis et al. (2019) מדווחים על שילוב יעיל של ננו-טסיות גרפן בטיט. לכן, מתלי גרפן מימיים נוצרו על ידי תוספת של ננו-טסיות – במשקלים שחקוקים על ידי תכולת המטרה הרצויה בחומרים המתקבלים – בתערובות של מי ברז רגילים ופלסטיסייזר ולאחר מכן ערבוב מגנטי במשך 2 דקות. המתלים עברו הומוגניזציה על ידי אולטרסוניקציה למשך 90 דקות בטמפרטורת החדר, באמצעות מכשיר Hielscher UP400S (Hielscher Ultrasonics GmbH) המצויד בסונוטרודה של 22 מ"מ המספקת תפוקת כוח של 4500 J/min בתדר של 24 קילוהרץ. השילוב הספציפי של קצב האנרגיה ומשך הסוניקציה נקבע כאופטימלי לאחר חקירה מדוקדקת של השפעת פרמטרים של אולטרה-סוניקציה על איכות המתלים.
(ראה: Tragazikis et al., 2019)
 
Zainal et al. (2018) מציינים במחקרם כי טכניקת פיזור נכונה כגון סוניקציה מבטיחה כי ננו-חומרים כגון ננו-טסיות גרפן יכולים לשפר את התכונות של חומרי מילוי. זאת בשל העובדה כי פיזור הוא אחד הגורמים החשובים ביותר לייצור ננו-מרוכבים באיכות גבוהה כגון דיס אפוקסי.

סוניקטורים בעלי ביצועים גבוהים לעיבוד ננו-טסיות גרפן

Hielscher Ultrasonics היא מובילת השוק כשמדובר ultrasonicators ביצועים גבוהים עבור עיבוד ננו-חומרים. סוניקטורים מסוג Hielscher משמשים ברחבי העולם במעבדות ובמסגרות תעשייתיות ליישומים שונים, כולל עיבוד ננו-טסיות גרפן.
טכנולוגיה חדישה, אומנות והנדסה גרמנית, כמו גם ניסיון טכני רב שנים הופכים את Hielscher Ultrasonics לשותף המועדף עליך ליישום קולי מוצלח.

תכנון, ייצור וייעוץ – איכות תוצרת גרמניה

Hielscher אולטראסוניקאטורים ידועים באיכות הגבוהה ביותר שלהם סטנדרטים עיצוב. עמידות ותפעול קל מאפשרים שילוב חלק של האולטרסוניקאטורים שלנו במתקנים תעשייתיים. תנאים מחוספסים וסביבות תובעניות מטופלים בקלות על ידי Hielscher אולטראסוניקאטורים.

Hielscher אולטרסוניקה היא חברה מוסמכת ISO ולשים דגש מיוחד על ultrasonicators ביצועים גבוהים הכוללים טכנולוגיה חדישה וידידותיות למשתמש. כמובן, Hielscher אולטרסוניקאטורים הם תואמי CE ועומדים בדרישות של UL, CSA ו- RoHs.

הטבלה להלן נותן לך אינדיקציה של יכולת עיבוד משוער של ultrasonicators שלנו: