Grafenske nanopločice sintetizirane i raspršene sondiranjem

Grafenske nanopločice (GNP) mogu se sintetizirati i raspršiti uz visoku učinkovitost i pouzdanost pomoću sonikatora. Ultrazvučna obrada visokog intenziteta koristi se za ljuštenje grafita i dobivanje nekoliko slojeva grafena, koji se često nazivaju grafenske nanopločice. Sonikacija se također ističe u postizanju izvrsne distribucije grafenskih nanopločica u nisko i visoko viskoznim suspenzijama.

Obrada grafenskih nanopločica – Vrhunski rezultati s ultrazvukom

Za obradu grafenskih nanopločica, sonikatori su najučinkovitiji, pouzdani i najjednostavniji alat. Budući da se ultrazvučna obrada može primijeniti za sintezu, disperziju i funkcionalizaciju grafenskih nanopločica, sonikatori se koriste za brojne primjene povezane s grafenom:

• Eksfolijacija i sinteza Sonikatori tipa sonde koriste se za eksfolijaciju grafita u nekoliko slojeva grafena ili grafenskih nanopločica. Ultrazvučna obrada visokog intenziteta remeti međuslojne sile i razgrađuje grafit u manje, pojedinačne listove grafena.
• Disperzija: Postizanje jednolike disperzije grafenskih nanopločica u tekućem mediju ključno je za sve primjene vezane uz grafen. Sonikatori tipa sonde mogu ravnomjerno raspršiti nanopločice kroz tekućinu, sprječavajući aglomeraciju i osiguravajući stabilnu suspenziju.
• Funkcionalizacija: Sonikacija olakšava funkcionalizaciju grafenskih nanopločica pospješujući pričvršćivanje funkcionalnih skupina ili molekula na njihove površine. Ova funkcionalizacija poboljšava njihovu kompatibilnost s određenim polimerima ili materijalima.

Sinteza nanoplateleta grafena ultrazvukom

Grafenske nanopločice mogu se sintetizirati eksfolijacijom grafita uz pomoć ultrazvuka. Stoga se suspenzija grafita sonicira pomoću ultrazvučnog homogenizatora tipa sonde. Ovaj je postupak ispitan s vrlo niskim (npr. 4 težinskih % ili nižim) do visokim koncentracijama krutine (npr. 10 težinskih % ili višim).
 
Ghanem and Rehim (2018) report the ultrasonic exfoliation of graphite in water with the aid of sodium dodecyl benzene sulfonate (SDS) in order to prepare dispersed graphene nanoplatelets using a the probe-type sonicator UP 100H allowed for the successful preparation of defect-free few-layer graphene (>5). The following precursor was used: reduced graphene nanosheets were prepared via Hummer method and treated with two additional steps, oxidation of graphite followed by reduction of graphene oxide. Thereby, dispersed graphene nanoplatelets were obtained in water via solvent dispersion method (see scheme below). Graphite layers were exfoliated with sonication using the probe-type sonicator UP100H (100 W). 0.25 g SDS was dissolved in 150 mL deionized water and then 0.5 g of graphite was added. The graphite solution was sonicated for 12h in an ice bath and then the suspension solution was centrifuged at 686× g for 30 min to remove the large particles. The precipitate was discarded and supernatant was re-centrifuged for 90 min at 12,600× g. The obtained dispersed graphene nanoplatelets were washed well several times to get rid of the surfactant. Finally, the product was dried at 60ºC under vacuum.

Dobivene slike grafenskih nanoploča visoke rezolucije transmisijskim elektronskim mikroskopomputem ultrazvučno potpomognute disperzije vodene faze i Hummer metode.(Studija i grafika: Ghanem i Rehim, 2018.)

Koja je razlika između grafenskih ploča i nanopločica?

Grafenske ploče i grafenske nanopločice su nanomaterijali koji se sastoje od grafena, koji je jedan sloj ugljikovih atoma raspoređenih u heksagonalnu rešetku. Ponekad se grafenske ploče i grafenske nanopločice koriste kao međusobno zamjenjivi pojmovi. Ali znanstveno, postoji nekoliko razlika između ovih grafenskih nanomaterijala: primarna razlika između grafenskih ploča i grafenskih nanopločica leži u njihovoj strukturi i debljini. Grafenske ploče sastoje se od jednog sloja ugljikovih atoma i iznimno su tanke, dok su grafenske nanopločice deblje i sastavljene od više naslaganih slojeva grafena. Ove strukturne razlike mogu utjecati na njihova svojstva i prikladnost za specifične primjene. Korištenje sonikatora vrlo je djelotvorna i učinkovita tehnika za sintetiziranje, raspršivanje i funkcionalizaciju grafenskih jednoslojnih grafenskih ploča kao i nekoliko slojeva naslaganih grafenskih nanopločica.

Grafička vizualizacija ultrazvučne sinteze grafenskih nanopločica pomoću sonikatora UP100H(Studija i grafika: Ghanem i Rehim, 2018.)

Disperzija grafenskih nanopločica pomoću sonikacije

Jednolika disperzija grafenskih nanopločica (GNP) ključna je u raznim primjenama jer izravno utječe na svojstva i performanse dobivenih materijala ili proizvoda. Stoga se sonikatori postavljaju za disperzije nanopločica grafena u raznim industrijama. Sljedeće industrije su istaknuti primjeri za korištenje ultrazvuka:
 

• Nano-kompoziti: Grafenske nanopločice mogu se ugraditi u različite nanokompozitne materijale, poput polimera, kako bi se poboljšala njihova mehanička, električna i toplinska svojstva. Sonikatori tipa sonde pomažu u ravnomjernom raspršivanju nanopločica unutar polimerne matrice, što rezultira poboljšanom izvedbom materijala.
• Elektrode i baterije: Grafenske nanopločice koriste se u razvoju visokoučinkovitih elektroda za baterije i superkondenzatore. Sonikacija pomaže u stvaranju dobro raspršenih elektrodnih materijala na bazi grafena s povećanom površinom, što poboljšava mogućnosti skladištenja energije.
• Kataliza: Sonikacija se može koristiti za pripremu katalitičkih materijala na bazi grafenskih nanopločica. Jednolika disperzija katalitičkih nanočestica na površini grafena može povećati katalitičku aktivnost u različitim reakcijama.
• Senzori: Grafenske nanopločice mogu se koristiti u proizvodnji senzora za različite primjene, uključujući senzore plina, biosenzore i praćenje okoliša. Sonikacija osigurava homogenu distribuciju nanopločica u senzorskim materijalima, što dovodi do poboljšane osjetljivosti i performansi.
• Premazi i filmovi: Sonikatori tipa sonde koriste se za pripremu premaza i filmova na bazi grafenskih nanopločica za primjenu u elektronici, zrakoplovstvu i zaštitnim premazima. Jednolika disperzija i pravilno prianjanje na podloge ključni su za ove primjene.
• Biomedicinske primjene: U biomedicinskim primjenama, grafenske nanopločice mogu se koristiti za isporuku lijekova, snimanje i tkivni inženjering. Sonikacija pomaže u pripremi nanočestica i kompozita na bazi grafena koji se koriste u ovim primjenama.

SEM slike grafenskih nanopločica na (b) X3000 i (c) X8000(Studija i slike: ©Alizadeh et al., 2018.)

Znanstveno dokazani rezultati za ultrazvučne disperzije nanopločica grafena

Znanstvenici su koristili Hielscher sonikatore za sintezu i disperziju grafenskih nanopločica u brojnim studijama i snažno testirali učinke ultrazvučne obrade. U nastavku možete pronaći nekoliko primjera uspješnog miješanja grafenskih nanopločica u različite smjese kao što su vodene kaše, smole za ekspoziciju ili mort.
 
Uobičajeni postupak za pouzdanu, brzu jednoliku disperziju grafenskih nanopločica je sljedeći postupak:
Za disperziju, grafenske nanopločice su sonicirane unutar čistog acetona pomoću Hielscher ultrazvučne miješalice UP400S gotovo jedan sat kako bi se spriječilo nakupljanje grafenskih ploča. Aceton je potpuno uklonjen isparavanjem. Zatim su dodane grafenske nanopločice u količini od 1 tež. % epoksidnog sustava i sonicirane u epoksidnoj smoli pri 90 W tijekom 15 minuta.
(usp. Cakir i dr., 2016.)
 
Druga studija istražuje pojačanje nanofluida na bazi ionske tekućine (ionanofluida) dodavanjem grafenskih nanopločica. Za vrhunsku disperziju, smjesa grafenskih nanopločica, ionske tekućine i natrijevog dodecil benzen sulfonata homogenizirana je pomoću Hielscher sonikatora UP200S oko 90 minuta.
(usp. Alizadeh i sur., 2018.)

 
Tragazikis i sur. (2019) izvještavaju o učinkovitoj ugradnji grafenskih nanopločica u žbuku. Stoga su vodene suspenzije grafena proizvedene dodavanjem nanopločica – u težinama upisanim poželjnim ciljnim sadržajem u dobivenim materijalima – u mješavinama obične vode iz slavine i plastifikatora i naknadnim magnetskim miješanjem tijekom 2 minute. Suspenzije su homogenizirane ultrazvučnom obradom tijekom 90 minuta na sobnoj temperaturi, korištenjem uređaja Hielscher UP400S (Hielscher Ultrasonics GmbH) opremljenog sonotrodom od 22 mm koja daje snagu od 4500 J/min na frekvenciji od 24 kHz. Specifična kombinacija brzine energije i trajanja sonikacije utvrđena je kao optimalna nakon detaljnog istraživanja učinka parametara ultrazvuka na kvalitetu suspenzije.
(usp. Tragazikis i sur., 2019.)
 
Zainal i sur. (2018) navode u svom istraživanju da pravilna tehnika disperzije kao što je sonikacija osigurava da nanomaterijali kao što su grafenske nanopločice mogu poboljšati svojstva materijala za ispunu. To je zbog činjenice da je disperzija jedan od najvažnijih čimbenika za proizvodnju visokokvalitetnih nanokompozita kao što je epoksidna fuga.

Sonikatori visokih performansi za obradu grafenskih nanopločica

Hielscher Ultrasonics vodeći je na tržištu kada su u pitanju ultrazvučni uređaji visokih performansi za obradu nanomaterijala. Hielscherovi sonikatori koriste se diljem svijeta u laboratorijima i industrijskim postavkama za različite primjene, uključujući obradu grafenskih nanopločica.
Najsuvremenija tehnologija, njemačka izrada i inženjering kao i dugogodišnje tehničko iskustvo čine Hielscher Ultrasonics vašim preferiranim partnerom za uspješnu ultrazvučnu primjenu.

Projektiranje, proizvodnja i savjetovanje – Kvaliteta Proizvedeno u Njemačkoj

Hielscher ultrasonicators su poznati po svojim najvišim standardima kvalitete i dizajna. Robusnost i jednostavan rad omogućuju glatku integraciju naših ultrazvučnih uređaja u industrijske objekte. Teški uvjeti i zahtjevna okruženja lako se nose s Hielscher ultrasonicators.

Hielscher Ultrasonics je ISO certificirana tvrtka i stavlja poseban naglasak na ultrazvučne uređaje visokih performansi koji sadrže najsuvremeniju tehnologiju i jednostavnu su za korištenje. Naravno, Hielscher ultrasonicators sukladni su CE i ispunjavaju zahtjeve UL, CSA i RoHs.

Donja tablica daje vam naznaku približnog kapaciteta obrade naših ultrazvučnih uređaja: