כיצד לפזר ננו־צינוריות פחמן חד־דופניות בנפרד

לננו־צינוריות פחמן חד־דופניות (SWNTs או SWCNTs) יש תכונות ייחודיות, אך כדי שתכונות אלה יבואו לידי ביטוי, יש לפזר את הצינוריות בנפרד. כדי לנצל במלואן את התכונות יוצאות הדופן של ננו־צינוריות פחמן חד־דופניות, יש להתיר את סבך הצינוריות באופן המלא ביותר. בדומה לננו־חלקיקים אחרים, ננו־צינוריות מסוג SWNTs מפגינות כוחות משיכה גבוהים מאוד, ולכן נדרשת טכניקה עוצמתית ויעילה לפירוק אגלומרטים ולפיזור באופן אמין. בעוד שטכניקות ערבוב נפוצות אינן מספקות את העוצמה הנדרשת להתרת סבך של SWNTs מבלי לפגוע בהן, אולטרסאונד בהספק גבוה הוכח כיעיל בהתרת סבך ובפיזור של SWCNTs. כוחות הגזירה הנוצרים בקוויטציה אולטרסונית חזקים דיים כדי להתגבר על כוחות הקישור, ובה בעת ניתן לכוונן במדויק את עוצמת האולטרסאונד כדי למנוע נזק ל־SWCNTs.

הבעיה:

ננו־צינוריות פחמן חד־דופניות (SWCNTs) נבדלות מננו־צינוריות פחמן רב־דופניות (MWNTs/ MWCNTs) בתכונותיהן החשמליות. פער האנרגיה של SWCNTs יכול לנוע מאפס עד 2 eV, והמוליכות החשמלית שלהן מתאפיינת בהתנהגות מתכתית או מוליכה למחצה. מכיוון שכוחות הלכידות בין ננו־צינוריות פחמן חד־דופניות חזקים מאוד, אחד המכשולים העיקריים בעיבוד SWCNTs הוא חוסר המסיסות המובנה של הצינוריות בממסים אורגניים או במים. כדי לנצל את מלוא הפוטנציאל של SWCNTs, נדרש תהליך פשוט ואמין לפירוק אגלומרטים של הצינוריות, שניתן להרחיב את קנה המידה שלו. בפרט, פונקציונליזציה של הדפנות הצדדיות או הקצוות הפתוחים של CNTs ליצירת ממשק מתאים בין ה־SWCNTs לממס האורגני מביאה להפרדה חלקית בלבד של ה־SWCNTs. לכן, SWCNTs מפוזרות בעיקר כצרורות ולא כגדילים נפרדים שפורקו מאגלומרטים. אם התנאים במהלך הפיזור חריפים מדי, ה־SWCNTs יתקצרו לאורכים שבין 80 ל־200nm. עבור רוב היישומים המעשיים, כלומר עבור SWCNTs המשמשות כמוליכות למחצה או לחיזוק, אורך זה קטן מדי.

הפתרון:

סוניקציה היא שיטה יעילה מאוד לפיזור ולפירוק אגלומרטים של ננו־צינוריות פחמן, משום שגלי אולטרסאונד בעוצמה גבוהה יוצרים קוויטציה בנוזלים. גלי הקול המתפשטים בתווך הנוזלי יוצרים מחזורים מתחלפים של לחץ גבוה (דחיסה) ולחץ נמוך (הקלשה), בקצבים התלויים בתדר. במהלך מחזור הלחץ הנמוך, גלי אולטרסאונד בעוצמה גבוהה יוצרים בנוזל בועות ריק קטנות או חללים. כאשר הבועות מגיעות לנפח שבו אינן יכולות עוד לספוג אנרגיה, הן קורסות בעוצמה במהלך מחזור של לחץ גבוה. תופעה זו נקראת קוויטציה. במהלך הקריסה פנימה מגיעים באופן מקומי לטמפרטורות גבוהות מאוד (כ־5,000K) וללחצים גבוהים מאוד (כ־2,000atm). קריסת בועת הקוויטציה פנימה יוצרת גם סילוני נוזל במהירות של עד 280m/s. סילוני נוזל אלה, הנוצרים בעקבות קוויטציה אולטרסונית, מתגברים על כוחות הקישור בין ננו־צינוריות הפחמן, וכך מתפרקים האגלומרטים של הננו־צינוריות. טיפול אולטרסוני מתון ומבוקר הוא שיטה מתאימה ליצירת תרחיפים המיוצבים באמצעות חומרים פעילי שטח, ובהם SWCNTs מפוזרות בעלות אורך רב. לייצור מבוקר של SWCNTs, המעבדים האולטרסוניים של Hielscher מאפשרים עבודה במגוון רחב של מערכי פרמטרים אולטרסוניים. ניתן לשנות את המשרעת האולטרסונית, את לחץ הנוזל ואת הרכב הנוזל בהתאם לחומר ולתהליך המסוימים. הדבר מציע אפשרויות כוונון מגוונות, כגון

• משרעות סונוטרודה של עד 170 מיקרון
• לחצי נוזל של עד 10 בר
• ספיקות זרימה של נוזל של עד 15L/min (בהתאם לתהליך)
• טמפרטורות נוזל של עד 80 degC (טמפרטורות אחרות לפי בקשה)
• צמיגות חומר של עד 100,000cp

 

נוסף על כך, סוניקציה כשיטת טיהור בסיוע פולימר מאפשרת להסיר ביעילות זיהומים מ־SWCNTs במצבן כפי שגודלו. קשה לחקור את השינוי הכימי של SWCNTs ברמה המולקולרית, משום שקשה להשיג SWNTs טהורות. SWCNTs במצבן כפי שגודלו מכילות זיהומים רבים, כגון חלקיקי מתכת ופחמן אמורפי. סוניקציה של SWCNTs בתמיסה של פולי(מתיל מתאקרילט) PMMA במונוכלורובנזן (MCB), ולאחריה סינון, היא דרך יעילה לטיהור SWCNTs. שיטת טיהור זו בסיוע פולימר מאפשרת להסיר ביעילות זיהומים מ־SWCNTs במצבן כפי שגודלו. בקרה מדויקת של משרעת הסוניקציה מאפשרת למנוע או להגביל את הפגיעה ב־SWCNTs.

ציוד אולטרסוני

Hielscher מציעה מעבדים אולטרסוניים בעלי ביצועים גבוהים לסוניקציה של כל נפח. מכשירים אולטרסוניים בהספקים מ־50 וואט ועד 16,000 וואט, שניתן לשלב במערכים, מאפשרים למצוא את המכשיר האולטרסוני המתאים לכל יישום, הן במעבדה והן בתעשייה. לפיזור מתקדם של ננו־צינוריות מומלצת סוניקציה רציפה. באמצעות תאי הזרימה של Hielscher ניתן לפזר CNTs בנוזלים בעלי צמיגות גבוהה, כגון פולימרים, נתכים בעלי צמיגות גבוהה וחומרים תרמופלסטיים.

לחצו כאן כדי לקרוא עוד על פיזור ושינוי של ננו־צינוריות באמצעות אולטרסאונד בהספק גבוה!