תחמוצת גרפן – קילוף ופיזור אולטרסוניים

קילוף אולטרסוני הוא טכניקה נפוצה לייצור תחמוצת גרפן באמצעות פירוק תחמוצת גרפיט ליריעות גרפן דקות בעלות שכבה אחת או שכבות מעטות. מכשירי הסוניקציה של Hielscher יוצרים קוויטציה אקוסטית עזה, שבה גלים אולטרסוניים בעלי צפיפות אנרגיה גבוהה מחוללים מיקרו־בועות עתירות אנרגיה בתווך נוזלי. בועות אלה קורסות ויוצרות כוחות גזירה המפרידים בין שכבות תחמוצת הגרפיט ומקלפים אותן ביעילות לננו־יריעות של תחמוצת גרפן. נצלו טכנולוגיה אולטרסונית עתירת ביצועים כדי לקדם את היישום שלכם המבוסס על תחמוצת גרפן לשלב הבא!

קילוף אולטרסוני של תחמוצת גרפן

תחמוצת גרפן מסיסה במים, אמפיפילית, אינה רעילה, מתכלה ביולוגית וניתנת לפיזור בקלות ליצירת קולואידים יציבים. קילוף ופיזור אולטרסוניים הם שיטה יעילה מאוד, מהירה וחסכונית לסינתזה, לפיזור ולפונקציונליזציה של תחמוצת גרפן בקנה מידה תעשייתי. בשלבי העיבוד הבאים, מפזרים אולטרסוניים מייצרים חומרים מרוכבים של תחמוצת גרפן ופולימר בעלי ביצועים גבוהים.

יתרונות הקילוף האולטרסוני

קילוף אולטרסוני מציע כמה יתרונות, ובהם פשטות, יכולת הגדלת קנה המידה וידידותיות לסביבה, שכן בדרך כלל הוא אינו דורש כימיקלים אגרסיביים או עיבוד מורכב. בנוסף, הוא מאפשר שליטה מדויקת בגודל ובעובי של ננו־יריעות תחמוצת גרפן, החיונית להתאמת תכונותיהן ביישומים שונים.

הסרטון מציג ערבול ופיזור אולטרסוניים של גרפיט ב־250mL של שרף אפוקסי (Toolcraft L), באמצעות הומוגנייזר אולטרסוני (UP400St, Hielscher Ultrasonics). חברת Hielscher Ultrasonics מייצרת ציוד לפיזור גרפיט, גרפן, ננו־צינוריות פחמן, ננו־חוטים או חומרי מילוי במעבדה או בתהליכי ייצור בהיקף גדול. יישומים אופייניים כוללים פיזור ננו־חומרים ומיקרו־חומרים במהלך תהליך הפונקציונליזציה או פיזורם בשרפים או בפולימרים.

פרוטוקול: קילוף אולטרסוני של תחמוצת גרפן

לשיטת הקילוף תפקיד מרכזי בשליטה בגודלן של ננו־יריעות תחמוצת גרפן (GO). הודות לשליטה המדויקת בפרמטרים של התהליך, קילוף אולטרסוני הוא טכניקת הפרדת השכבות הנפוצה ביותר לייצור גרפן ותחמוצת גרפן באיכות גבוהה.
קיימים פרוטוקולים שונים לקילוף אולטרסוני של תחמוצת גרפן מתחמוצת גרפיט. להלן פרוטוקול לדוגמה לקילוף אולטרסוני של תחמוצת גרפן:
מערבבים אבקת תחמוצת גרפיט בתמיסה מימית של KOH בעלת ערך pH של 10. לקילוף ולפיזור שלאחריו משתמשים במכשיר הסוניקציה בעל הגשוש UP200St (200W). לאחר מכן מצמידים יוני K+ למישור הבסיס של הגרפן כדי להשרות תהליך יישון. היישון מתבצע באידוי סיבובי (2 h). להסרת עודפי יוני K+, שוטפים את האבקה ומבצעים צנטריפוגציה מספר פעמים.
התערובת המתקבלת עוברת צנטריפוגציה וייבוש בהקפאה, כך ששוקעת אבקת תחמוצת גרפן הניתנת לפיזור.
הכנת משחת תחמוצת גרפן מוליכה: ניתן לפזר את אבקת תחמוצת הגרפן בדימתילפורמאמיד (DMF) תוך סוניקציה כדי לייצר משחה מוליכה. (Han et al.2014)

קילוף אולטרסוני משמש באופן נרחב לייצור ננו־יריעות גרפן ותחמוצת גרפן. המערכות האולטרסוניות של Hielscher מוכיחות את יעילותן הרבה כטכניקה חסכונית ומהירה לסינתזת גרפן, ומשמשות לעיבוד זרמי תרחיף גדולים ולייצור המוני של גרפן.
מקור התמונה: Potts J. R., Dreyer D. R., Bielawski Ch. W., Ruoff R.S (2011): Graphene-based polymer nanocomposites. Polymer Vol. 52, Issue 1, 2011. 5–25.

מנגנון הקילוף האולטרסוני של תחמוצת גרפן
(תמונה: Potts et al. 2011)

פונקציונליזציה אולטרסונית של תחמוצת גרפן

סוניקציה משמשת בהצלחה לשילוב תחמוצת גרפן (GO) בפולימרים ובחומרים מרוכבים.
דוגמאות:

חומר מרוכב של מיקרוספרות תחמוצת גרפן–TiO2
חומר מרוכב של פוליסטירן–מגנטיט–תחמוצת גרפן (במבנה ליבה–קליפה)
חומרים מרוכבים של פוליסטירן ותחמוצת גרפן מחוזרת
חומר מרוכב במבנה ליבה–קליפה של פוליסטירן/תחמוצת גרפן (PANI-PS/GO) המצופה בננו־סיבי פוליאנילין
תחמוצת גרפן עם פוליסטירן המשולב בין השכבות
תחמוצת גרפן שעברה מודיפיקציה באמצעות p-phenylenediamine-4vinylbenzen-polystyrene

יישומים של תחמוצת גרפן המיוצרת בקילוף אולטרסוני

לתחמוצת גרפן המיוצרת בקילוף אולטרסוני יש יישומים נרחבים בתחומים מגוונים. באלקטרוניקה היא משמשת בסרטים מוליכים גמישים ובחיישנים; באגירת אנרגיה היא משפרת את ביצועיהם של סוללות וקבלי־על. תכונותיה האנטיבקטריאליות של תחמוצת גרפן מקנות לה ערך ביישומים ביו־רפואיים, ואילו שטח הפנים הגדול שלה והקבוצות הפונקציונליות שלה מועילים בקטליזה ובשיקום סביבתי. ככלל, קילוף אולטרסוני מאפשר ייצור יעיל של תחמוצת גרפן באיכות גבוהה לשימוש בטכנולוגיות מתקדמות ביותר.

למדו כיצד להפיק גרפן חד־שכבתי באיכות גבוהה באמצעות קילוף על־קולי במכשירי סוניקציה רבי־עוצמה בעלי גשושית. סוניקציה היא שיטה פשוטה ויעילה, הניתנת להגדלת קנה מידה, לייצור תרחיפי גרפן בתפוקות גבוהות ובאיכות יריעות מצוינת.

מכשירי סוניקציה לעיבוד גרפן ותחמוצת גרפן

Hielscher Ultrasonics מציעה מערכות אולטרסוניות בהספק גבוה לקילוף, לפיזור ולעיבוד של גרפן ותחמוצת גרפן. מעבדים אולטרסוניים אמינים וראקטורים מתוחכמים מספקים שליטה מדויקת ומאפשרים להתאים תהליכים אולטרסוניים ליעדים הרצויים.
פרמטר חיוני אחד הוא המשרעת האולטרסונית, הקובעת את ההתפשטות וההתכווצות התנודתיות של הגשוש האולטרסוני. מכשירי הסוניקציה התעשייתיים של Hielscher מספקים משרעות גבוהות, עד 200µm, ופועלים ברציפות במתכונת 24/7. למשרעות גבוהות אף יותר, זמינים גשושים אולטרסוניים המותאמים אישית. ניתן להתאים במדויק את כל המעבדים לתנאי התהליך ולנטר אותם באמצעות תוכנה מובנית, וכך להבטיח אמינות, איכות עקבית ותוצאות הניתנות לשחזור.
מכשירי הסוניקציה של Hielscher עמידים ויכולים לפעול ברציפות בסביבות עבודה תובעניות, ולכן סוניקציה היא טכנולוגיית הייצור המועדפת להכנת גרפן, תחמוצת גרפן וחומרים גרפיטיים בקנה מידה גדול.
מגוון רחב של מכשירי סוניקציה ואביזרים, ובהם סונוטרודות וראקטורים בגדלים ובגאומטריות שונים, מאפשר לבחור תנאי תגובה וגורמים מיטביים, כגון מגיבים, הזנת אנרגיה אולטרסונית, לחץ, טמפרטורה וספיקת זרימה, כדי להשיג את האיכות הגבוהה ביותר. הראקטורים האולטרסוניים של Hielscher אף מאפשרים הפעלת לחץ של עד כמה מאות barg, וכך מאפשרים סוניקציה של משחות בעלות צמיגות גבוהה מאוד, העולה על 250,000 סנטיפואז.
בזכות גורמים אלה, הפרדת שכבות וקילוף אולטרסוניים עולים בביצועיהם על טכניקות קונבנציונליות.

למידע נוסף על סינתזה, פיזור ופונקציונליזציה אולטרסוניים של גרפן, לחצו כאן:

עובדות שכדאי לדעת

אולטרסאונד וקוויטציה: כיצד מקלפים גרפיט לתחמוצת גרפן באמצעות סוניקציה?

קילוף אולטרסוני של תחמוצת גרפיט (GrO) מבוסס על כוח הגזירה הגבוה הנוצר בעקבות קוויטציה אקוסטית. קוויטציה אקוסטית נוצרת עקב מחזורים מתחלפים של לחץ גבוה / לחץ נמוך, הנוצרים באמצעות צימוד גלי אולטרסאונד עוצמתיים לתוך נוזל. במהלך מחזורי הלחץ הנמוך נוצרים חללים זעירים מאוד או בועות ואקום, הגדלים לאורך מחזורי הלחץ הנמוך המתחלפים. כאשר בועות הוואקום מגיעות לגודל שבו אינן יכולות לספוג עוד אנרגיה, הן קורסות בעוצמה במהלך מחזור של לחץ גבוה. קריסת הבועות פנימה גורמת לכוחות גזירה עקב קוויטציה ולגלי מאמץ, לטמפרטורה קיצונית של עד 6000K, לקצבי קירור קיצוניים מעל 10¹⁰K/s, ללחצים גבוהים מאוד של עד 2000atm, להפרשי לחץ קיצוניים וכן לסילוני נוזל במהירות של עד 1000km/h (∼280m/s).
כוחות עזים אלה פועלים על ערמות שכבות הגרפיט, המופרדות לתחמוצת גרפן בעלת שכבה אחת או שכבות מעטות ולננו־יריעות גרפן בתולי.

מהי תחמוצת גרפן?

תחמוצת גרפן (GO) מסונתזת באמצעות קילוף תחמוצת גרפיט (GrO). בעוד שתחמוצת גרפיט היא חומר תלת־ממדי (3D) המורכב ממיליוני שכבות גרפן שביניהן משולבים אטומי חמצן, תחמוצת גרפן היא גרפן בעל שכבה אחת או שכבות מעטות, המכיל חמצן משני צדדיו.
תחמוצת גרפן וגרפן נבדלים זה מזה בתכונות הבאות: תחמוצת גרפן היא קוטבית, ואילו גרפן אינו קוטבי. תחמוצת גרפן היא הידרופילית, ואילו גרפן הוא הידרופובי.
משמעות הדבר היא שתחמוצת גרפן מסיסה במים, אמפיפילית, אינה רעילה, מתכלה ביולוגית ויוצרת תרחיפים קולואידיים יציבים. פני השטח של תחמוצת גרפן מכילים קבוצות אפוקסי, הידרוקסיל וקרבוקסיל, הזמינות לאינטראקציה עם קטיונים ואניונים. הודות למבנה ההיברידי האורגני–אי־אורגני הייחודי שלהם ולתכונותיהם יוצאות הדופן, חומרים מרוכבים של GO ופולימר מציעים פוטנציאל גבוה ליישומים תעשייתיים מגוונים. (Tolasz et al. 2014)

מהי תחמוצת גרפן מחוזרת?

תחמוצת גרפן מחוזרת (rGO) מיוצרת באמצעות חיזור אולטרסוני, כימי או תרמי של תחמוצת גרפן. בשלב החיזור מוסרות רוב הקבוצות הפונקציונליות המכילות חמצן של תחמוצת הגרפן, כך שלתחמוצת הגרפן המחוזרת (rGO) המתקבלת יש תכונות דומות מאוד לאלה של גרפן בתולי. עם זאת, תחמוצת גרפן מחוזרת (rGO) אינה נטולת פגמים ובתולית כמו גרפן טהור.

ספרות/מקורות

FactSheet: Ultrasonic Graphene Exfoliation and Dispersion – Hielscher Ultrasonics – english version
FactSheet: Exfoliación y Dispersión de Grafeno por Ultrasonidos – Hielscher Ultrasonics – spanish version
Gouvea R.A., Konrath Jr L.G., Cava S., Carreno N.L.V., Goncalves M.R.F. (2011): Synthesis of nanometric graphene oxide and its effects when added in MgAl₂O₄ ceramic. 10th SPBMat Brazil.
Kamisan A.I., Zainuddin L.W., Kamisan A.S., Kudin T.I.T., Hassan O.H., Abdul Halim N., Yahya M.Z.A. (2016): Ultrasonic Assisted Synthesis of Reduced Graphene Oxide in Glucose Solution. Key Engineering Materials Vol. 708, 2016. 25-29.
Štengl V., Henych J., Slušná M., Ecorchard P. (2014): Ultrasound exfoliation of inorganic analogues of graphene. Nanoscale Research Letters 9(1), 2014.
Štengl, V. (2012): Preparation of Graphene by Using an Intense Cavitation Field in a Pressurized Ultrasonic Reactor. Chemistry – A European Journal 18(44), 2012. 14047-14054.
Tolasz J., Štengl V., Ecorchard P. (2014): The Preparation of Composite Material of Graphene Oxide–Polystyrene. 3rd International Conference on Environment, Chemistry and Biology IPCBEE vol.78, 2014.
Potts J. R., Dreyer D. R., Bielawski Ch. W., Ruoff R.S (2011): Graphene-based polymer nanocomposites. Polymer Vol. 52, Issue 1, 2011. 5–25.