एकल-भित्तीय कार्बन नैनोट्यूबों को अलग-अलग कैसे परिक्षेपित करें

एकल-भित्तीय कार्बन नैनोट्यूबों (SWNTs या SWCNTs) की विशिष्ट विशेषताएँ होती हैं, लेकिन इन्हें प्रकट करने के लिए उनका अलग-अलग परिक्षेपित होना आवश्यक है। एकल-भित्तीय कार्बन नैनोट्यूबों की असाधारण विशेषताओं का पूरा उपयोग करने के लिए नैनोट्यूबों को यथासंभव पूरी तरह सुलझाना आवश्यक है। अन्य नैनोकणों की तरह SWNTs में भी बहुत अधिक आकर्षण बल होते हैं, इसलिए विश्वसनीय विसमूहन और परिक्षेपण के लिए एक शक्तिशाली और कुशल तकनीक आवश्यक है। सामान्य मिश्रण तकनीकें SWNTs को क्षति पहुँचाए बिना सुलझाने के लिए आवश्यक तीव्रता प्रदान नहीं करतीं, जबकि उच्च-शक्ति अल्ट्रासोनिक्स SWCNTs को सुलझाने और परिक्षेपित करने में प्रभावी सिद्ध हुआ है। अल्ट्रासोनिक विधि से उत्पन्न कैविटेशन के अपरूपण बल बंधन बलों पर काबू पाने के लिए पर्याप्त शक्तिशाली होते हैं, जबकि SWCNTs को क्षति से बचाने के लिए अल्ट्रासाउंड की तीव्रता को सटीक रूप से समायोजित किया जा सकता है।

समस्या:

एकल-भित्तीय कार्बन नैनोट्यूब (SWCNTs) अपने विद्युत गुणों के कारण बहु-भित्तीय कार्बन नैनोट्यूबों (MWNTs/ MWCNTs) से भिन्न होते हैं। SWCNTs का बैंड गैप शून्य से 2 eV तक हो सकता है और उनकी विद्युत चालकता धात्विक या अर्धचालक व्यवहार प्रदर्शित करती है। एकल-भित्तीय कार्बन नैनोट्यूब अत्यधिक संसंजक होते हैं, इसलिए SWCNTs के प्रसंस्करण में प्रमुख बाधाओं में से एक कार्बनिक विलायकों या पानी में नैनोट्यूबों की अंतर्निहित अविलेयता है। SWCNTs की पूरी क्षमता का उपयोग करने के लिए नैनोट्यूबों के विसमूहन की एक सरल, विश्वसनीय और विस्तारयोग्य प्रक्रिया आवश्यक है। विशेष रूप से, SWCNTs और कार्बनिक विलायक के बीच उपयुक्त अंतरापृष्ठ बनाने के लिए CNT की पार्श्व भित्तियों या खुले सिरों का प्रकार्यात्मककरण करने से SWCNTs का केवल आंशिक अपस्तरण होता है। इसलिए SWCNTs प्रायः अलग-अलग विसमूहित रज्जुओं के बजाय बंडलों के रूप में परिक्षेपित होते हैं। यदि परिक्षेपण के दौरान परिस्थितियाँ अत्यधिक कठोर हों, तो SWCNTs छोटे होकर 80 से 200nm के बीच की लंबाई के रह जाएँगे। अधिकांश व्यावहारिक अनुप्रयोगों, अर्थात् अर्धचालक या प्रबलनकारी SWCNTs के लिए, यह लंबाई बहुत कम है।

समाधान:

अल्ट्रासोनिकेशन कार्बन नैनोट्यूबों के परिक्षेपण और विसमूहन की एक बहुत प्रभावी विधि है, क्योंकि उच्च-तीव्रता वाले अल्ट्रासाउंड की अल्ट्रासोनिक तरंगें द्रवों में कैविटेशन उत्पन्न करती हैं। द्रव माध्यम में संचरित ध्वनि तरंगें बारी-बारी से उच्च-दाब (संपीड़न) और निम्न-दाब (विरलन) चक्र उत्पन्न करती हैं, जिनकी दरें आवृत्ति पर निर्भर करती हैं। निम्न-दाब चक्र के दौरान उच्च-तीव्रता वाली अल्ट्रासोनिक तरंगें द्रव में छोटे निर्वात बुलबुले या रिक्तियाँ बनाती हैं। जब बुलबुले ऐसे आयतन तक पहुँच जाते हैं जहाँ वे और ऊर्जा अवशोषित नहीं कर सकते, तो वे उच्च-दाब चक्र के दौरान तीव्रता से ढह जाते हैं। इस परिघटना को कैविटेशन कहा जाता है। अंतःस्फोट के दौरान स्थानीय स्तर पर बहुत अधिक तापमान (लगभग 5,000K) और दाब (लगभग 2,000atm) उत्पन्न होते हैं। कैविटेशन बुलबुले के अंतःस्फोट से 280m/s तक के वेग वाले द्रव जेट भी उत्पन्न होते हैं। ये द्रव जेट प्रवाह अल्ट्रासोनिक कैविटेशन से उत्पन्न होकर कार्बन नैनोट्यूबों के बीच के बंधन बलों पर काबू पाते हैं और इस प्रकार नैनोट्यूब विसमूहित हो जाते हैं। सौम्य, नियंत्रित अल्ट्रासोनिक उपचार अधिक लंबाई वाले परिक्षेपित SWCNTs के पृष्ठसक्रियकारक-स्थिरीकृत निलंबन तैयार करने की एक उपयुक्त विधि है। SWCNTs के नियंत्रित उत्पादन के लिए Hielscher के अल्ट्रासोनिक प्रोसेसर अल्ट्रासोनिक प्राचलों के विविध संयोजनों पर संचालन की सुविधा देते हैं। विशिष्ट सामग्री और प्रक्रिया के अनुसार अल्ट्रासोनिक आयाम, द्रव का दाब और द्रव का संघटन बदला जा सकता है। इससे समायोजन की विभिन्न संभावनाएँ मिलती हैं, जैसे

• 170 micron तक के सोनोट्रोड आयाम
• 10 bars तक के द्रव दाब
• 15L/min तक की द्रव प्रवाह दरें (प्रक्रिया पर निर्भर)
• 80 degC तक के द्रव तापमान (अन्य तापमान अनुरोध पर)
• 1,00,000cp तक की सामग्री श्यानता

 

इसके अतिरिक्त, बहुलक-सहायित शुद्धीकरण विधि के रूप में अल्ट्रासोनिकेशन, संश्लेषण से प्राप्त मूल अवस्था वाले SWCNTs से अशुद्धियाँ प्रभावी ढंग से हटाने की सुविधा देता है। आणविक स्तर पर SWCNTs के रासायनिक संशोधन का अध्ययन करना कठिन है, क्योंकि शुद्ध SWNTs प्राप्त करना कठिन होता है। संश्लेषण से प्राप्त मूल अवस्था वाले SWCNTs में धातु के कण और अक्रिस्टलीय कार्बन जैसी कई अशुद्धियाँ होती हैं। पॉली(मिथाइल मेथाक्रिलेट) PMMA के मोनोक्लोरोबेंजीन (MCB) विलयन में SWCNTs का अल्ट्रासोनिकेशन और उसके बाद निस्यंदन, SWCNTs को शुद्ध करने का एक प्रभावी तरीका है। यह बहुलक-सहायित शुद्धीकरण विधि संश्लेषण से प्राप्त मूल अवस्था वाले SWCNTs से अशुद्धियाँ प्रभावी ढंग से हटाने की सुविधा देती है। अल्ट्रासोनिकेशन के आयाम का सटीक नियंत्रण SWCNTs को होने वाली क्षति से बचने या उसे सीमित करने की सुविधा देता है।

अल्ट्रासोनिक उपकरण

Hielscher उच्च प्रदर्शन वाले अल्ट्रासोनिक प्रोसेसर प्रदान करता है, जो किसी भी आयतन के सोनिकेशन के लिए उपयुक्त हैं। 50 watts से 16,000 watts तक के अल्ट्रासोनिक उपकरण, जिन्हें समूहों में स्थापित किया जा सकता है, प्रयोगशाला और उद्योग दोनों में प्रत्येक अनुप्रयोग के लिए उपयुक्त अल्ट्रासोनिक उपकरण चुनना संभव बनाते हैं। नैनोट्यूबों के परिष्कृत परिक्षेपण के लिए निरंतर सोनिकेशन की अनुशंसा की जाती है। Hielscher के प्रवाह सेलों का उपयोग करके बहुलकों, उच्च श्यानता वाले पिघले पदार्थों और थर्मोप्लास्टिक जैसे अधिक श्यानता वाले द्रवों में CNTs को परिक्षेपित करना संभव हो जाता है।

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