ज़ीन्स का अल्ट्रासोनिक एक्सफोलिएशन

ज़ीन्स 2D एकतत्वीय नैनोपदार्थ हैं, जिनमें अत्यंत अधिक पृष्ठीय क्षेत्रफल और दिशानिर्भर भौतिक / रासायनिक गुण जैसे असाधारण गुण होते हैं। इन गुणों में उत्कृष्ट विद्युत चालकता या तनन सामर्थ्य शामिल हैं। अल्ट्रासोनिक एक्सफोलिएशन या परत-वियोजन, परतदार पूर्ववर्ती पदार्थों से एकल-परतीय 2D नैनोशीट्स बनाने की एक कुशल और विश्वसनीय तकनीक है। औद्योगिक पैमाने पर उच्च गुणवत्ता वाली ज़ीन्स नैनोशीट्स के उत्पादन के लिए अल्ट्रासोनिक एक्सफोलिएशन पहले से स्थापित है।

ज़ीन्स – एकल-परतीय नैनोसंरचनाएँ

ज़ीन्स एकल-परतीय (2D), एकतत्वीय नैनोपदार्थ हैं, जिनमें ग्राफीन जैसी संरचना, परत के भीतर सहसंयोजक बंधन और परतों के बीच कमज़ोर वान डर वाल्स बल होते हैं। ज़ीन्स वर्ग में शामिल पदार्थों के उदाहरण बोरोफीन, सिलिसीन, जर्मेनीन, स्टैनीन, फॉस्फोरीन (काला फॉस्फोरस), आर्सेनीन, बिस्मथीन, टेल्यूरिन और एंटिमोनीन हैं। अपनी एकल-परतीय 2D संरचना के कारण, ज़ीन्स नैनोपदार्थों की विशेषताओं में बहुत बड़ा पृष्ठीय क्षेत्रफल तथा बेहतर रासायनिक और भौतिक अभिक्रियाशीलता शामिल हैं। ये संरचनात्मक विशेषताएँ ज़ीन्स नैनोपदार्थों को प्रभावशाली फोटॉनिक, उत्प्रेरकीय, चुंबकीय और इलेक्ट्रॉनिक गुण प्रदान करती हैं और इन नैनोसंरचनाओं को अनेक औद्योगिक अनुप्रयोगों के लिए अत्यंत दिलचस्प बनाती हैं। बाईं ओर का चित्र अल्ट्रासोनिक रूप से एक्सफोलिएट किए गए बोरोफीन के SEM चित्र दिखाता है।

अल्ट्रासोनिक परत-वियोजन द्वारा ज़ीन्स नैनोपदार्थों का उत्पादन

परतदार नैनोपदार्थों का द्रव-माध्यम एक्सफोलिएशन: एकल-परतीय 2D नैनोशीट्स परतदार संरचना वाले अकार्बनिक पदार्थों (जैसे, ग्रेफाइट) से बनाई जाती हैं। इन पदार्थों में ढीले ढंग से एक-दूसरे के ऊपर व्यवस्थित मेज़बान परतें होती हैं, जिनके बीच कुछ आयनों और/या विलायकों के अंतर्वेशन से अंतरपरतीय स्थान का विस्तार होता है या परतदार संरचना फूलती है। एक्सफोलिएशन में परतदार प्रावस्था को नैनोशीट्स में विभाजित किया जाता है। यह प्रक्रिया आम तौर पर परतों के बीच स्थिरवैद्युत आकर्षण के तेज़ी से कमज़ोर होने के कारण होने वाले फूलने के साथ होती है, जिससे अलग-अलग 2D परतों या शीट्स के कोलॉइडी परिक्षेपण बनते हैं। (cf. Geng et al, 2013) सामान्यतः यह ज्ञात है कि फूलने से अल्ट्रासोनिकेशन द्वारा एक्सफोलिएशन आसान होता है और ऋणावेशित नैनोशीट्स बनती हैं। रासायनिक पूर्वोपचार भी विलायकों में सोनिकेशन द्वारा एक्सफोलिएशन को आसान बनाता है। उदाहरण के लिए, क्रियात्मक समूहों का समावेश अल्कोहलों में परतदार द्वि-हाइड्रॉक्साइडों (LDHs) के एक्सफोलिएशन को संभव बनाता है। (cf. Nicolosi et al., 2013)
अल्ट्रासोनिक एक्सफोलिएशन / परत-वियोजन के लिए परतदार पदार्थ को किसी विलायक में शक्तिशाली अल्ट्रासोनिक तरंगों के संपर्क में लाया जाता है। जब उच्च ऊर्जा घनत्व वाली अल्ट्रासाउंड तरंगों की ऊर्जा किसी द्रव या स्लरी में संचारित की जाती है, तो ध्वनिक कैविटेशन होता है, जिसे अल्ट्रासोनिक कैविटेशन भी कहा जाता है। अल्ट्रासोनिक कैविटेशन की विशेषता निर्वात बुलबुलों का ढहना है। अल्ट्रासाउंड तरंगें द्रव से होकर गुज़रती हैं और बारी-बारी से निम्न दाब / उच्च दाब चक्र उत्पन्न करती हैं। सूक्ष्म निर्वात बुलबुले निम्न दाब (विरलन) चक्र के दौरान बनते हैं और कई निम्न दाब / उच्च दाब चक्रों के दौरान बढ़ते हैं। जब कोई कैविटेशन बुलबुला उस बिंदु पर पहुँच जाता है जहाँ वह और ऊर्जा अवशोषित नहीं कर सकता, तो वह प्रचंड रूप से भीतर की ओर ढह जाता है और स्थानीय स्तर पर बहुत अधिक ऊर्जा घनत्व वाली परिस्थितियाँ उत्पन्न करता है। कैविटेशन हॉट-स्पॉट की विशेषताओं में अत्यंत उच्च दाब और तापमान, संबंधित दाब और तापमान के अंतर, उच्च गति वाली द्रव धाराएँ और अपरूपण बल शामिल हैं। ये ध्वनि-यांत्रिक और ध्वनि-रासायनिक बल एक-दूसरे के ऊपर व्यवस्थित परतों के बीच विलायक को धकेलते हैं और परतदार कणीय तथा क्रिस्टलीय संरचनाओं को तोड़ते हैं, जिससे एक्सफोलिएट की गई नैनोशीट्स बनती हैं। नीचे दिया गया चित्र अनुक्रम अल्ट्रासोनिक कैविटेशन द्वारा एक्सफोलिएशन की प्रक्रिया दिखाता है।

पानी में ग्रेफाइट के एक फ्लेक के ध्वनि-यांत्रिक एक्सफोलिएशन को दर्शाने वाले फ़्रेमों का उच्च गति वाला अनुक्रम (a से f तक), जिसमें UP200S, एक 200W अल्ट्रासोनिकेटर, का उपयोग 3-mm सोनोट्रोड के साथ किया गया है। तीर विभाजन (एक्सफोलिएशन) का स्थान दिखाते हैं, जहाँ कैविटेशन बुलबुले दरार में प्रवेश कर रहे हैं।
© Tyurnina et al. 2020 (CC BY-NC-ND 4.0)

मॉडलिंग से पता चला है कि यदि विलायक की पृष्ठीय ऊर्जा परतदार पदार्थ की पृष्ठीय ऊर्जा के समान हो, तो एक्सफोलिएटेड और पुनः एकत्रित अवस्थाओं के बीच ऊर्जा का अंतर बहुत कम होगा, जिससे पुनः एकत्रीकरण का प्रेरक बल समाप्त हो जाएगा। हिलाने और अपरूपण की वैकल्पिक विधियों की तुलना में, अल्ट्रासोनिक आंदोलनकर्ताओं ने एक्सफोलिएशन के लिए अधिक प्रभावी ऊर्जा स्रोत प्रदान किया, जिसके परिणामस्वरूप TaS₂, NbS₂, और MoS₂, तथा परतदार ऑक्साइडों के आयन अंतर्वेशन की सहायता से एक्सफोलिएशन का प्रदर्शन किया गया। (cf. Nicolosi et al., 2013)

अल्ट्रासोनिक विधि से द्रव में एक्सफोलिएट की गई नैनोशीटों के TEM चित्र: (A) N-मिथाइल-पाइरोलिडोन विलायक में सोनिकेशन द्वारा एक्सफोलिएट की गई ग्राफीन नैनोशीट। (B) आइसोप्रोपेनॉल विलायक में सोनिकेशन द्वारा एक्सफोलिएट की गई h-BN नैनोशीट। (C) जलीय पृष्ठसक्रियकारक विलयन में सोनिकेशन द्वारा एक्सफोलिएट की गई MoS2 नैनोशीट।
(अध्ययन और चित्र: ©Nicolosi et al., 2013)

अल्ट्रासोनिक द्रव एक्सफोलिएशन के प्रोटोकॉल

ज़ीन्स और अन्य एकपरतीय नैनोपदार्थों के अल्ट्रासोनिक एक्सफोलिएशन और परत-वियोजन का अनुसंधान में व्यापक अध्ययन किया गया है और इसे सफलतापूर्वक औद्योगिक उत्पादन के चरण में स्थानांतरित किया गया है। नीचे हम सोनिकेशन का उपयोग करने वाले चुनिंदा एक्सफोलिएशन प्रोटोकॉल प्रस्तुत करते हैं।

फॉस्फोरीन नैनोफ्लेक्स का अल्ट्रासोनिक एक्सफोलिएशन

फॉस्फोरीन (जिसे काला फॉस्फोरस, BP भी कहा जाता है) फॉस्फोरस परमाणुओं से बना एक 2D परतदार, एकतत्वीय पदार्थ है।
Passaglia et al. (2018) के शोध में, MMA की उपस्थिति में bP के सोनिकेशन-सहायित द्रव-अवस्था एक्सफोलिएशन (LPE) और उसके बाद मुक्त मूलक बहुलकीकरण द्वारा फॉस्फोरीन − मिथाइल मेथाक्रिलेट के स्थिर निलंबन तैयार करने का प्रदर्शन किया गया है। मिथाइल मेथाक्रिलेट (MMA) एक द्रव मोनोमर है।

फॉस्फोरीन के अल्ट्रासोनिक द्रव एक्सफोलिएशन का प्रोटोकॉल

MMA_bPn, NVP_bPn और Sty_bPn निलंबन केवल संबंधित मोनोमर की उपस्थिति में LPE द्वारा प्राप्त किए गए। एक सामान्य प्रक्रिया में, खरल में सावधानीपूर्वक कुचले गए ∼5 mg bP को एक परखनली में डाला गया और फिर MMA, Sty या NVP की तौली हुई मात्रा मिलाई गई। मोनोमर में bP के निलंबन का सोनिकेशन 90 min तक Hielscher Ultrasonics होमोजेनाइज़र UP200St (200W, 26kHz) का उपयोग करके किया गया, जिसमें सोनोट्रोड S26d2 (टिप का व्यास: 2 mm) लगा था। P = 7 W पर अल्ट्रासोनिक आयाम को 50% पर स्थिर रखा गया। सभी मामलों में, बेहतर ऊष्मा अपव्यय के लिए बर्फ स्नान का उपयोग किया गया। इसके बाद अंतिम MMA_bPn, NVP_bPn और Sty_bPn निलंबनों में 15 min तक N2 गैस प्रवाहित की गई। सभी निलंबनों का DLS द्वारा विश्लेषण किया गया, जिसमें rH मान DMSO_bPn के मान के बहुत करीब पाए गए। उदाहरण के लिए, MMA_bPn निलंबन (जिसमें bP की मात्रा लगभग 1% थी) का rH = 512 ± 58 nm था।
जहाँ फॉस्फोरीन पर अन्य वैज्ञानिक अध्ययनों में अल्ट्रासोनिक क्लीनर का उपयोग करने पर कई घंटों के सोनिकेशन समय, उच्च क्वथनांक वाले विलायकों और कम दक्षता की सूचना दी गई है, वहीं Passaglia की शोध टीम प्रोब-प्रकार के अल्ट्रासोनिकेटर का उपयोग करके अत्यधिक दक्ष अल्ट्रासोनिक एक्सफोलिएशन प्रोटोकॉल का प्रदर्शन करती है (अर्थात् Hielscher अल्ट्रासोनिकेटर मॉडल UP200St).

एकपरतीय नैनोशीटों का अल्ट्रासोनिक एक्सफोलिएशन

बोरोफीन और रूथेनियम ऑक्साइड नैनोशीटों के अधिक विशिष्ट विवरण और एक्सफोलिएशन प्रोटोकॉल पढ़ने के लिए, कृपया नीचे दिए गए लिंक पर जाएँ:
बोरोफीन: अल्ट्रासोनिक बोरोफीन एक्सफोलिएशन के सोनिकेशन प्रोटोकॉल और परिणामों के लिए, कृपया यहाँ क्लिक करें!
RuO2: अल्ट्रासोनिक रूथेनियम ऑक्साइड नैनोशीट एक्सफोलिएशन के सोनिकेशन प्रोटोकॉल और परिणामों के लिए, कृपया यहाँ क्लिक करें!

कुछ परतों वाली सिलिका नैनोशीटों का अल्ट्रासोनिक एक्सफोलिएशन

प्राकृतिक वर्मिक्युलाइट (Verm) से अल्ट्रासोनिक अपशल्कन द्वारा कुछ परतों वाली अपशल्कित सिलिका नैनोशीटें तैयार की गईं। अपशल्कित सिलिका नैनोशीटों के संश्लेषण के लिए निम्नलिखित द्रव-चरण अपशल्कन विधि अपनाई गई: 40 mg सिलिका नैनोशीटों को 40 mL निरपेक्ष एथेनॉल में परिक्षेपित किया गया। इसके बाद, 7 mm सोनोट्रोड से सुसज्जित Hielscher अल्ट्रासोनिक प्रोसेसर UP200St का उपयोग करके मिश्रण का 2 h तक सोनिकेशन किया गया। अल्ट्रासाउंड तरंग का आयाम 70% पर स्थिर रखा गया। अत्यधिक गर्म होने से बचाने के लिए बर्फ के स्नान का उपयोग किया गया। अनपशल्कित SN को 1000 rpm पर 10 min तक अपकेंद्रीकरण करके हटाया गया। अंत में, उत्पाद को निथारकर अलग किया गया और कमरे के तापमान पर निर्वात में रात भर सुखाया गया। (cf. Guo et al., 2022)

ज़ीन नैनोशीटों के अपशल्कन के लिए उच्च-शक्ति वाले अल्ट्रासाउंड प्रोब और रिएक्टर

Hielscher Ultrasonics हर आकार के मज़बूत और विश्वसनीय अल्ट्रासोनिकेटरों का डिज़ाइन, निर्माण और वितरण करता है। प्रयोगशाला के कॉम्पैक्ट अल्ट्रासोनिक उपकरणों से लेकर औद्योगिक अल्ट्रासोनिक प्रोब और रिएक्टरों तक, Hielscher के पास आपकी प्रक्रिया के लिए आदर्श अल्ट्रासोनिक प्रणाली है। नैनोसामग्री के संश्लेषण और परिक्षेपण जैसे अनुप्रयोगों में लंबे अनुभव के आधार पर, हमारे सुप्रशिक्षित कर्मचारी आपकी आवश्यकताओं के लिए सबसे उपयुक्त व्यवस्था की अनुशंसा करेंगे। Hielscher के औद्योगिक अल्ट्रासोनिक प्रोसेसर औद्योगिक प्रतिष्ठानों में भरोसेमंद और लगातार काम करने वाले उपकरणों के रूप में जाने जाते हैं। अत्यंत उच्च आयाम प्रदान करने में सक्षम Hielscher अल्ट्रासोनिकेटर उच्च-प्रदर्शन वाले अनुप्रयोगों के लिए आदर्श हैं, जैसे ज़ीन तथा बोरोफीन, फॉस्फोरीन या ग्राफीन जैसी अन्य 2D एकल-परत नैनोसामग्रियों का संश्लेषण और इन नैनोसंरचनाओं का विश्वसनीय परिक्षेपण।
असाधारण रूप से शक्तिशाली अल्ट्रासाउंड: Hielscher Ultrasonics के औद्योगिक अल्ट्रासोनिक प्रोसेसर अत्यंत उच्च आयाम प्रदान कर सकते हैं। 200µm तक के आयामों पर 24/7 संचालन आसानी से निरंतर किया जा सकता है। इससे भी अधिक आयामों के लिए, आवश्यकताओं के अनुसार बनाए गए अल्ट्रासोनिक सोनोट्रोड उपलब्ध हैं।
उच्चतम गुणवत्ता – जर्मनी में डिज़ाइन और निर्मित: सभी उपकरणों का डिज़ाइन और निर्माण जर्मनी स्थित हमारे मुख्यालय में किया जाता है। ग्राहक को भेजने से पहले, प्रत्येक अल्ट्रासोनिक उपकरण का पूर्ण भार पर सावधानीपूर्वक परीक्षण किया जाता है। हम ग्राहक संतुष्टि के लिए प्रयासरत हैं और हमारी उत्पादन व्यवस्था उच्चतम गुणवत्ता आश्वासन की आवश्यकताओं को पूरा करने के लिए संरचित है (जैसे, ISO प्रमाणन)।

नीचे दी गई तालिका हमारे अल्ट्रासोनिकेटरों की अनुमानित प्रसंस्करण क्षमता का संकेत देती है: