Kako pojedinačno raspršiti ugljikove nanocijevi s jednom stijenkom

Ugljikove nanocijevi s jednom stijenkom (SWNT ili SWCNT) imaju jedinstvene karakteristike, ali da bi ih izrazile moraju biti pojedinačno raspršene. Kako bi se u potpunosti iskoristile iznimne karakteristike ugljikovih nanocijevi s jednom stijenkom, cijevi se moraju najpotpunije razmrsiti. SWNT kao i druge nanočestice pokazuju vrlo visoke sile privlačenja, tako da je potrebna snažna i učinkovita tehnika za pouzdanu deaglomeraciju i disperziju. Dok uobičajene tehnike miješanja ne daju intenzitet potreban za raščešljavanje SWCNT bez njihovog oštećenja, dokazano je da ultrazvuk velike snage raščešljava i raspršuje SWCNT. Ultrazvučno generirane kavitacijske sile smicanja dovoljno su snažne da nadvladaju sile spajanja, dok se intenzitet ultrazvuka može točno podesiti kako bi se izbjeglo oštećenje SWCNT-a.

Problem:

Ugljikove nanocijevi s jednom stijenkom (SWCNT) razlikuju se od ugljikovih nanocijevi s više stijenki (MWNT/MWCNT) po svojim električnim svojstvima. Zaporni pojas SWCNT može varirati od nula do 2 eV, a njihova električna vodljivost karakterizira metalno ili poluvodičko ponašanje. Budući da su ugljikove nanocijevi s jednom stijenkom vrlo kohezivne, jedna od glavnih prepreka u obradi SWCNT je inherentna netopljivost cijevi u organskim otapalima ili vodi. Kako bi se iskoristio puni potencijal SWCNT-a, potreban je jednostavan, pouzdan i skalabilan proces deaglomeracije cijevi. Posebice, funkcionalizacija bočnih stijenki ili otvorenih krajeva CNT-a kako bi se stvorila odgovarajuća sučelja između SWCNT-a i organskog otapala rezultira samo djelomičnim ljuštenjem SWCNT-a. Stoga su SWCNT uglavnom raspršeni kao snopovi, a ne kao pojedinačna deaglomerirana užad. Ako su uvjeti tijekom disperzije preteški, SWCNT će se skratiti na duljine između 80 do 200 nm. Za većinu praktičnih primjena, tj. za poluvodičke ili ojačavajuće SWCNT, ta je duljina premala.

Riješenje:

Ultrasonication je vrlo učinkovita metoda raspršivanja i deaglomeracije ugljičnih nanocijevi, jer ultrazvučni valovi visokog intenziteta ultrazvuka stvaraju kavitaciju u tekućinama. Zvučni valovi koji se šire u tekućem mediju rezultiraju izmjeničnim ciklusima visokog tlaka (kompresija) i niskog tlaka (razrjeđivanje), s brzinama koje ovise o frekvenciji. Tijekom ciklusa niskog tlaka, ultrazvučni valovi visokog intenziteta stvaraju male vakuumske mjehuriće ili šupljine u tekućini. Kada mjehurići dostignu volumen pri kojem više ne mogu apsorbirati energiju, nasilno se kolabiraju tijekom ciklusa visokog tlaka. Ova pojava se naziva kavitacija. Tijekom implozije lokalno se postižu vrlo visoke temperature (cca. 5000 K) i pritisci (cca. 2000 atm). Implozija kavitacijskog mjehurića također rezultira tekućim mlazovima brzine do 280 m/s. Ove tekuće mlazne struje koje nastaju iz ultrazvučna kavitacija, prevladavaju sile vezivanja između ugljikovih nanocijevi i stoga nanocijevi postaju deaglomerirane. Blaga, kontrolirana ultrazvučna obrada prikladna je metoda za stvaranje suspenzija dispergiranih SWCNT-a velike duljine stabiliziranih površinski aktivnim tvarima. Za kontroliranu proizvodnju SWCNT-a, Hielscherovi ultrazvučni procesori omogućuju rad na širokom rasponu skupova ultrazvučnih parametara. Ultrazvučna amplituda, tlak tekućine i sastav tekućine mogu se mijenjati ovisno o specifičnom materijalu i procesu. To nudi različite mogućnosti podešavanja, kao što su

• amplitude sonotrode do 170 mikrona
• pritisak tekućine do 10 bara
• protok tekućine do 15L/min (ovisno o procesu)
• temperature tekućine do 80 stupnjeva C (ostale temperature na upit)
• viskoznost materijala do 100.000 cp

 

Nadalje, ultrazvučna obrada kao metoda pročišćavanja uz pomoć polimera omogućuje učinkovito uklanjanje nečistoća iz uzgojenih SWCNT-a. Teško je proučavati kemijsku modifikaciju SWCNT-a na molekularnoj razini jer je teško dobiti čiste SWNT-ove. Uzgojeni SWCNT sadrže mnoge nečistoće, poput metalnih čestica i amorfnog ugljika. Ultrazvučna obrada SWCNT-a u monoklorobenzenskoj (MCB) otopini poli(metil metakrilata) PMMA nakon čega slijedi filtracija učinkovit je način pročišćavanja SWCNT-a. Ova metoda pročišćavanja uz pomoć polimera omogućuje učinkovito uklanjanje nečistoća iz tek uzgojenih SWCNT. Precizna kontrola amplitude ultrazvučne obrade omogućuje izbjegavanje ili ograničavanje oštećenja SWCNT-a.

Ultrazvučna oprema

Hielscher nudi visoke performanse ultrazvučni procesori za sonikaciju svakog volumena. Ultrazvučni uređaji od 50 watta do 16.000 watta, koji se mogu postaviti u klastere, omogućuju pronalaženje odgovarajućeg ultrazvuka za svaku primjenu, u laboratoriju kao iu industriji. Za sofisticiranu disperziju nanocijevi preporučuje se kontinuirana sonikacija. Koristeći Hielscherove protočne ćelije, postaje moguće dispergirati CNT u tekućine povišene viskoznosti kao što su polimeri, taline visoke viskoznosti i termoplasti.

Kliknite ovdje da biste pročitali više o disperziji i modifikaciji nanocijevi ultrazvukom velike snage!