कार्बन नैनोट्यूब (CNT) का अल्ट्रासोनिक परिक्षेपण
कार्बन नैनोट्यूब मजबूत और लचीले होते हैं, लेकिन उनमें आपस में चिपके रहने की प्रवृत्ति बहुत अधिक होती है। इन्हें पानी, एथेनॉल, तेल, पॉलिमर या एपॉक्सी रेज़िन जैसे तरल पदार्थों में परिक्षेपित करना कठिन होता है। अलग-अलग – एकल रूप में परिक्षेपित – कार्बन नैनोट्यूब प्राप्त करने के लिए अल्ट्रासाउंड एक प्रभावी विधि है।
कार्बन नैनोट्यूब (CNT) का उपयोग चिपकाने वाले पदार्थों, कोटिंग और पॉलिमर में तथा प्लास्टिक में विद्युत चालक भराव के रूप में किया जाता है, ताकि विद्युत उपकरणों और स्थिरवैद्युत विधि से पेंट किए जा सकने वाले ऑटोमोबाइल बॉडी पैनलों में स्थिर विद्युत आवेशों का क्षय हो सके। नैनोट्यूब के उपयोग से पॉलिमर को तापमान, तीव्र रसायनों, संक्षारक परिवेश, अत्यधिक दबाव और घर्षण के प्रति अधिक प्रतिरोधी बनाया जा सकता है। कार्बन नैनोट्यूब की दो श्रेणियाँ हैं: एकल-भित्ति नैनोट्यूब (SWNT) और बहु-भित्ति नैनोट्यूब (MWNT)।
औद्योगिक अल्ट्रासोनिक होमोजेनाइज़र UIP1500hdT कार्बन नैनोट्यूब (CNTs) और अन्य नैनोमटेरियल के परिक्षेपण के लिए।
कार्बन नैनोट्यूब सामान्यतः सूखी सामग्री के रूप में उपलब्ध होते हैं, उदाहरण के लिए, SES Research या CNT Co., Ltd. जैसी कंपनियों से। नैनोट्यूब की अधिकतम क्षमता का उपयोग करने के लिए उनके समुच्चयों को अलग करने की एक सरल, विश्वसनीय और बड़े पैमाने पर लागू की जा सकने वाली प्रक्रिया की आवश्यकता होती है। 1,00,000cP तक की श्यानता वाले तरल पदार्थों के लिए अल्ट्रासाउंड, कम या अधिक सांद्रता पर पानी, तेल या पॉलिमर में नैनोट्यूब के परिक्षेपण की एक अत्यंत प्रभावी तकनीक है। अल्ट्रासोनिक कैविटेशन से उत्पन्न तरल जेट धाराएँ नैनोट्यूब के बीच के बंधन बलों पर काबू पाकर उन्हें अलग करती हैं। अल्ट्रासोनिक रूप से उत्पन्न अपरूपण बलों और सूक्ष्म विक्षोभों के कारण अल्ट्रासाउंड, नैनोट्यूब की सतह पर कोटिंग करने और अन्य सामग्रियों के साथ उनकी रासायनिक अभिक्रिया में भी सहायता कर सकता है।
सामान्यतः, नैनोट्यूब के एक स्थूल परिक्षेपण को पहले एक मानक विलोडक से पूर्वमिश्रित किया जाता है और फिर अल्ट्रासोनिक प्रवाह सेल रिएक्टर में समांगीकृत किया जाता है। नीचे दिया गया वीडियो एक प्रयोगशाला परीक्षण दिखाता है ( UP400S का उपयोग करके बैच सोनिकेशन), जिसमें कम सांद्रता पर पानी में बहु-भित्ति कार्बन नैनोट्यूब परिक्षेपित किए जाते हैं। कार्बन की रासायनिक प्रकृति के कारण पानी में नैनोट्यूब का परिक्षेपण काफी कठिन होता है। जैसा कि वीडियो में दिखाया गया है, यह आसानी से प्रदर्शित किया जा सकता है कि अल्ट्रासोनिकेशन नैनोट्यूब को प्रभावी रूप से परिक्षेपित करने में सक्षम है।
प्रोब-प्रकार के अल्ट्रासोनिकेशन का उपयोग करके हार्डनर में परिक्षेपित विभिन्न नैनोभरावों की तुलना): (a) 0.5 wt% कार्बन नैनोफाइबर (CNF); (b) 0.5 wt% CNToxid; (c) 0.5 wt% कार्बन नैनोट्यूब (CNT); (d) 0.5 wt% आंशिक रूप से परिक्षेपित CNT।
अध्ययन और चित्र: ©Zanghellini et al., 2021
अधिक लंबाई वाले अलग-अलग SWNTs का परिक्षेपण
SWNTs के प्रसंस्करण और उनमें हेरफेर की एक प्रमुख समस्या सामान्य कार्बनिक विलायकों और पानी में इन नैनोट्यूब की अंतर्निहित अघुलनशीलता है। SWNTs और विलायक के बीच एक उपयुक्त अंतरापृष्ठ बनाने के लिए नैनोट्यूब की पार्श्व भित्ति या खुले सिरों का क्रियात्मककरण करने से अधिकतर SWNTs के रस्सीनुमा बंडल केवल आंशिक रूप से ही खुलते हैं।
इसके परिणामस्वरूप, SWNTs सामान्यतः पूरी तरह अलग-अलग इकाइयों के बजाय बंडलों के रूप में परिक्षेपित होते हैं। परिक्षेपण के दौरान अत्यधिक कठोर परिस्थितियाँ अपनाने पर SWNTs छोटे होकर 80 से 200nm के बीच की लंबाई के रह जाते हैं। हालाँकि यह कुछ परीक्षणों के लिए उपयोगी है, लेकिन अर्धचालक या प्रबलनकारी SWNTs जैसे अधिकांश व्यावहारिक अनुप्रयोगों के लिए यह लंबाई बहुत कम है। नियंत्रित, सौम्य अल्ट्रासोनिक उपचार (उदाहरण के लिए, 40mm सोनोट्रोड वाले UP200Ht द्वारा) लंबे, अलग-अलग SWNTs के जलीय परिक्षेपण तैयार करने की एक प्रभावी प्रक्रिया है। सौम्य अल्ट्रासोनिकेशन के क्रमिक चरण लंबाई में कमी को न्यूनतम करते हैं और संरचनात्मक तथा इलेक्ट्रॉनिक गुणों का अधिकतम संरक्षण संभव बनाते हैं।
पॉलिमर-सहायित अल्ट्रासोनिकेशन द्वारा SWNT का शुद्धिकरण
आणविक स्तर पर SWNTs के रासायनिक संशोधन का अध्ययन करना कठिन है, क्योंकि शुद्ध SWNTs प्राप्त करना कठिन है। निर्माण के तुरंत बाद प्राप्त SWNTs में धातु के कणों और अक्रिस्टलीय कार्बन जैसी अनेक अशुद्धियाँ होती हैं। पॉली(मेथिल मेथाक्रिलेट) PMMA के मोनोक्लोरोबेंज़ीन (MCB) विलयन में SWNTs का अल्ट्रासोनिकेशन और उसके बाद निस्यंदन, SWNTs को शुद्ध करने का एक प्रभावी तरीका है। यह पॉलिमर-सहायित शुद्धिकरण विधि निर्माण के तुरंत बाद प्राप्त SWNTs से अशुद्धियों को प्रभावी रूप से हटाना संभव बनाती है। (Yudasaka et al.) अल्ट्रासोनिकेशन के आयाम का सटीक नियंत्रण SWNTs को होने वाली क्षति को सीमित करना संभव बनाता है।
Hielscher के अल्ट्रासोनिक उपकरणों की विस्तृत शृंखला और सहायक उपकरण नैनोट्यूब के कुशल परिक्षेपण के लिए हैं।
- कॉम्पैक्ट प्रयोगशाला उपकरण अधिकतम 400 वाट अल्ट्रासोनिक शक्ति के साथ 2 लीटर तक की छोटी मात्राओं में परिक्षेपण के लिए उपलब्ध हैं
- UIP500hdT, UIP1000hdT और UIP1500hdT ऐसे अल्ट्रासोनिक प्रोसेसर हैं जो अधिक मात्रा में सामग्री का प्रसंस्करण कर सकते हैं।
- अल्ट्रासोनिक प्रणालियाँ, जिनकी शक्ति 2kW (UIP2000hdT) और 4kW (UIP4000hdT) है, कार्बन नैनोट्यूब के उत्पादन पैमाने पर परिक्षेपण के लिए उपयोग की जा सकती हैं। UIP10000 (10 किलोवाट) और UIP16000 (16 किलोवाट) का उपयोग कार्बन नैनोट्यूब के बड़े पैमाने पर प्रसंस्करण के लिए कई अलग-अलग इकाइयों के समूहों में किया जा सकता है।”
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संदर्भ साहित्य
- Koshio, A., Yudasaka, M., Zhang, M., Iijima, S. (2001): A Simple Way to Chemically React Single-Wall Crabon Nanotubes with Organic Materials Using Ultrasonication; in Nano Letters, Vol. 1, No. 7, 2001, p. 361-363.
- Yudasaka, M., Zhang, M., Jabs, C. et al. (2000): Effect of an organic polymer in purification and cutting of single-wall carbon nanotubes. Appl Phys A 71, 449–451 (2000).
- Paredes, J. I., Burghard, M. (2004): Dispersions of Individual Single-Walled Carbon Nanotubes of High Length, in: Langmuir, Vol. 20, No. 12, 2004, 5149-5152, American Chemical Society.
Hielscher Ultrasonics उच्च प्रदर्शन वाले अल्ट्रासोनिक होमोजेनाइज़र बनाती है, जिनका आकार प्रयोगशाला स्तर से लेकर औद्योगिक स्तर तक होता है।