Քսենների ուլտրաձայնային շերտազատում

Քսենները երկչափ (2D) միատարր նանոնյութեր են՝ արտասովոր հատկություններով, ինչպիսիք են մակերևույթի շատ մեծ մակերեսը, անիզոտրոպ ֆիզիկական / քիմիական հատկությունները, այդ թվում՝ գերազանց էլեկտրահաղորդականությունը կամ ձգման ամրությունը։ Ուլտրաձայնային շերտազատումը կամ շերտաբաժանումը արդյունավետ և հուսալի մեթոդ է շերտավոր ելանյութերից միաշերտ 2D նանոթերթեր ստանալու համար։ Ուլտրաձայնային շերտազատումն արդեն հաստատված մեթոդ է արդյունաբերական մասշտաբով քսենների բարձրորակ նանոթերթերի արտադրության համար։

Քսեններ – միաշերտ նանոկառուցվածքներ

Քսենները միաշերտ (2D), միատարր նանոնյութեր են, որոնք ունեն գրաֆենանման կառուցվածք, ներշերտային կովալենտ կապ և շերտերի միջև գործող թույլ վան դեր Վալսի ուժեր։ Քսենների դասին պատկանող նյութերի օրինակներ են բորոֆենը, սիլիցենը, գերմանենը, ստանենը, ֆոսֆորենը (սև ֆոսֆոր), արսենենը, բիսմութենը, և տելուրենը և անտիմոնենը։ Իրենց միաշերտ 2D կառուցվածքի շնորհիվ քսենային նանոնյութերը բնութագրվում են մակերևույթի շատ մեծ մակերեսով, ինչպես նաև բարելավված քիմիական և ֆիզիկական ռեակտիվությամբ։ Կառուցվածքային այս առանձնահատկությունները քսենային նանոնյութերին հաղորդում են տպավորիչ ֆոտոնային, կատալիտիկ, մագնիսական և էլեկտրոնային հատկություններ և այս նանոկառուցվածքները դարձնում խիստ հետաքրքրական բազմաթիվ արդյունաբերական կիրառությունների համար։ Ձախ կողմի նկարում ներկայացված են ուլտրաձայնով շերտազատված բորոֆենի սկանավորող էլեկտրոնային մանրադիտակային (SEM) պատկերները։

Քսենային նանոնյութերի արտադրություն ուլտրաձայնային շերտաբաժանման միջոցով

Շերտավոր նանոնյութերի հեղուկային շերտազատում. Միաշերտ 2D նանոթերթերն արտադրվում են շերտավոր կառուցվածք ունեցող անօրգանական նյութերից (օրինակ՝ գրաֆիտից), որոնք կազմված են ոչ խիտ դասավորված հյուրընկալող շերտերից։ Որոշ իոնների և/կամ լուծիչների ինտերկալացման ժամանակ այդ շերտերի միջև եղած տարածությունն ընդարձակվում է, կամ տեղի է ունենում ուռչում։ Շերտազատումը, որի ընթացքում շերտավոր ֆազը տրոհվում է նանոթերթերի, սովորաբար ուղեկցում է ուռչմանը՝ շերտերի միջև էլեկտրաստատիկ ձգողության արագ թուլացման հետևանքով, ինչի արդյունքում առաջանում են առանձին 2D շերտերի կամ թերթերի կոլոիդային դիսպերսիաներ։ (cf. Geng et al, 2013) Ընդհանուր առմամբ հայտնի է, որ ուռչումը հեշտացնում է ուլտրաձայնային մշակմամբ շերտազատումը և հանգեցնում բացասական լիցք ունեցող նանոթերթերի առաջացմանը։ Քիմիական նախամշակումը նույնպես հեշտացնում է լուծիչներում ուլտրաձայնային մշակմամբ շերտազատումը։ Օրինակ՝ ֆունկցիոնալացումը թույլ է տալիս սպիրտներում շերտազատել շերտավոր կրկնակի հիդրօքսիդները (LDHs)։ (cf. Nicolosi et al., 2013)
Ուլտրաձայնային շերտազատման / շերտաբաժանման համար շերտավոր նյութը լուծիչում ենթարկվում է հզոր ուլտրաձայնային ալիքների ազդեցությանը։ Երբ էներգիայի բարձր խտությամբ ուլտրաձայնային ալիքների էներգիան փոխանցվում է հեղուկին կամ կախույթին, առաջանում է ակուստիկ, այլ կերպ՝ ուլտրաձայնային կավիտացիա։ Ուլտրաձայնային կավիտացիան բնութագրվում է վակուումային պղպջակների փլուզմամբ։ Ուլտրաձայնային ալիքները տարածվում են հեղուկում և առաջացնում ցածր ճնշման / բարձր ճնշման հերթագայող ցիկլեր։ Վակուումային մանրագույն պղպջակներն առաջանում են ցածր ճնշման (նոսրացման) ցիկլի ընթացքում և աճում ցածր ճնշման / բարձր ճնշման մի շարք ցիկլերի ընթացքում։ Երբ կավիտացիոն պղպջակը հասնում է այն վիճակին, երբ այլևս չի կարող լրացուցիչ էներգիա կլանել, այն ուժգին փլուզվում է դեպի ներս և տեղային առումով ստեղծում էներգիայի շատ բարձր խտությամբ պայմաններ։ Կավիտացիոն թեժ կետը բնորոշվում է շատ բարձր ճնշումներով և ջերմաստիճանով, համապատասխան ճնշումների ու ջերմաստիճանի տարբերություններով, հեղուկի բարձրարագ շիթերով և սահքի ուժերով։ Այս սոնոմեխանիկական և սոնոքիմիական ուժերը լուծիչը մղում են միմյանց վրա դասավորված շերտերի միջև և քայքայում շերտավոր մասնիկային ու բյուրեղային կառուցվածքները՝ այդպիսով առաջացնելով շերտազատված նանոթերթեր։ Ստորև ներկայացված պատկերների հաջորդականությունը ցույց է տալիս ուլտրաձայնային կավիտացիայի միջոցով շերտազատման գործընթացը։

Բարձր արագությամբ նկարահանված կադրերի հաջորդականություն (a-ից f), որը պատկերում է ջրում գրաֆիտի փաթիլի սոնոմեխանիկական շերտազատումը, որի համար կիրառվել է UP200S ուլտրաձայնային սարքը՝ 200W հզորությամբ և 3-mm սոնոտրոդով։ Սլաքները ցույց են տալիս ճեղքման (շերտազատման) տեղը՝ ճեղքի մեջ ներթափանցող կավիտացիոն պղպջակներով։
© Tyurnina et al. 2020 (CC BY-NC-ND 4.0)

Մոդելավորումը ցույց է տվել, որ եթե լուծիչի մակերևութային էներգիան նման է շերտավոր նյութի մակերևութային էներգիային, ապա շերտազատված և վերաագրեգացված վիճակների միջև էներգիայի տարբերությունը կլինի շատ փոքր՝ վերացնելով վերաագրեգացման շարժիչ ուժը։ Խառնման և սահքի վրա հիմնված այլընտրանքային մեթոդների համեմատ՝ ուլտրաձայնային խառնիչները շերտազատման համար ապահովել են էներգիայի ավելի արդյունավետ աղբյուր, ինչի շնորհիվ ցուցադրվել է իոնների ինտերկալացիայի օժանդակությամբ շերտազատումը հետևյալ նյութերի համար՝ TaS₂, NbS₂ և MoS₂, ինչպես նաև շերտավոր օքսիդների համար։ (տե՛ս Nicolosi et al., 2013)

Հեղուկ միջավայրում ուլտրաձայնով շերտազատված նանոթերթերի տրանսմիսիոն էլեկտրոնային մանրադիտակային (TEM) պատկերներ. (A) Գրաֆենի նանոթերթ՝ շերտազատված N-մեթիլպիրոլիդոն լուծիչում ուլտրաձայնային մշակման միջոցով։ (B) h-BN նանոթերթ՝ շերտազատված իզոպրոպանոլ լուծիչում ուլտրաձայնային մշակման միջոցով։ (C) MoS2 նանոթերթ՝ շերտազատված մակերևութաակտիվ նյութի ջրային լուծույթում ուլտրաձայնային մշակման միջոցով։
(Հետազոտությունը և նկարները՝ ©Nicolosi et al., 2013)

Հեղուկ միջավայրում ուլտրաձայնային շերտազատման ընթացակարգեր

Քսենների և այլ միաշերտ նանոնյութերի ուլտրաձայնային շերտազատումն ու շերտանջատումը լայնորեն ուսումնասիրվել են հետազոտություններում և հաջողությամբ տեղափոխվել արդյունաբերական արտադրության փուլ։ Ստորև ներկայացնում ենք ուլտրաձայնային մշակմամբ շերտազատման ընտրված ընթացակարգեր։

Ֆոսֆորենի նանոփաթիլների ուլտրաձայնային շերտազատում

Ֆոսֆորենը (հայտնի է նաև որպես սև ֆոսֆոր՝ BP) ֆոսֆորի ատոմներից կազմված երկչափ (2D), շերտավոր, միատարրային նյութ է։
Passaglia et al. (2018) հետազոտության մեջ ցուցադրված է ֆոսֆորեն – մեթիլ մետակրիլատ կայուն կախույթների պատրաստումը՝ MMA-ի առկայությամբ bP նյութի ուլտրաձայնային մշակման օժանդակությամբ հեղուկաֆազ շերտազատմամբ (LPE), որին հաջորդում է ռադիկալային պոլիմերացումը։ Մեթիլ մետակրիլատը (MMA) հեղուկ մոնոմեր է։

Հեղուկ միջավայրում ֆոսֆորենի ուլտրաձայնային շերտազատման ընթացակարգ

MMA_bPn, NVP_bPn և Sty_bPn կախույթները ստացվել են հեղուկաֆազ շերտազատմամբ (LPE)՝ միայն մոնոմերի առկայությամբ։ Տիպային ընթացակարգում հավանգում խնամքով մանրացված ∼5 mg bP նյութը տեղադրվել է փորձանոթի մեջ, ապա ավելացվել է MMA, Sty կամ NVP մոնոմերներից մեկի կշռված քանակություն։ Մոնոմերում bP նյութի կախույթը 90 min ենթարկվել է ուլտրաձայնային մշակման՝ օգտագործելով Hielscher Ultrasonics հոմոգենիզատորի UP200St մոդելը (200W, 26kHz)՝ համալրված S26d2 սոնոտրոդով (ծայրի տրամագիծը՝ 2 mm)։ Ուլտրաձայնի ամպլիտուդը պահպանվել է հաստատուն՝ 50%, P = 7 W հզորության պայմաններում։ Բոլոր դեպքերում ջերմության հեռացումը բարելավելու համար օգտագործվել է սառցային բաղնիք։ Այնուհետև վերջնական MMA_bPn, NVP_bPn և Sty_bPn կախույթների մեջ 15 min փչվել է N2 գազ։ Բոլոր կախույթները վերլուծվել են լույսի դինամիկ ցրման (DLS) մեթոդով՝ ցույց տալով rH արժեքներ, որոնք շատ մոտ են եղել DMSO_bPn կախույթի համապատասխան արժեքին։ Օրինակ՝ MMA_bPn կախույթը (մոտ 1% bP պարունակությամբ) բնութագրվել է rH = 512 ± 58 nm արժեքով։
Մինչ ֆոսֆորենին վերաբերող այլ գիտական ուսումնասիրություններում հաղորդվում է մի քանի ժամ տևող ուլտրաձայնային մշակման մասին՝ ուլտրաձայնային լվացման սարքի կիրառմամբ, բարձր եռման ջերմաստիճան ունեցող լուծիչներով և ցածր արդյունավետությամբ, Passaglia հետազոտական խումբը ցուցադրում է ուլտրաձայնային շերտազատման բարձր արդյունավետությամբ ընթացակարգ՝ օգտագործելով զոնդային տիպի ուլտրաձայնային սարք (մասնավորապես՝ Hielscher ուլտրաձայնային սարքի UP200St մոդելը).

Միաշերտ նանոթերթերի ուլտրաձայնային շերտազատում

Բորոֆենի և ռութենիումի օքսիդի նանոթերթերի վերաբերյալ ավելի կոնկրետ մանրամասներին և շերտազատման ընթացակարգերին ծանոթանալու համար անցե՛ք ստորև բերված հղումներով։
Բորոֆեն՝ Ուլտրաձայնային մշակման ընթացակարգերին և բորոֆենի ուլտրաձայնային շերտազատման արդյունքներին ծանոթանալու համար սեղմե՛ք այստեղ։
RuO2՝ Ուլտրաձայնային մշակման ընթացակարգերին և ռութենիումի օքսիդի նանոթերթերի ուլտրաձայնային շերտազատման արդյունքներին ծանոթանալու համար սեղմե՛ք այստեղ։

Սիլիցիումի երկօքսիդի սակավաշերտ նանոթերթերի ուլտրաձայնային շերտազատում

Սիլիցիումի երկօքսիդի սակավաշերտ, շերտազատված նանոթերթերը պատրաստվել են բնական վերմիկուլիտից (Verm)՝ ուլտրաձայնային շերտազատմամբ։ Սիլիցիումի երկօքսիդի շերտազատված նանոթերթերի սինթեզի համար կիրառվել է հեղուկ փուլում շերտազատման հետևյալ մեթոդը. սիլիցիումի երկօքսիդի 40 mg նանոթերթերը դիսպերսվել են 40 mL բացարձակ էթանոլում։ Այնուհետև խառնուրդը 2 h ենթարկվել է ուլտրաձայնային մշակման՝ օգտագործելով Hielscher UP200St ուլտրաձայնային պրոցեսոր՝ համալրված 7 mm սոնոտրոդով։ Ուլտրաձայնային ալիքի ամպլիտուդը պահպանվել է հաստատուն՝ 70% մակարդակում։ Գերտաքացումից խուսափելու համար կիրառվել է սառցային բաղնիք։ Չշերտազատված SN-ը հեռացվել է ցենտրիֆուգմամբ՝ 1000 rpm արագությամբ, 10 min տևողությամբ։ Վերջում արգասիքը դեկանտվել է և ամբողջ գիշեր չորացվել վակուումում՝ սենյակային ջերմաստիճանում։ (տե՛ս Guo et al., 2022)

Բարձր հզորության ուլտրաձայնային զոնդեր և ռեակտորներ՝ քսենների նանոթերթերի շերտազատման համար

Hielscher Ultrasonics ընկերությունը նախագծում, արտադրում և մատակարարում է ցանկացած չափի ամուր և հուսալի ուլտրաձայնային սարքեր։ Կոմպակտ լաբորատոր ուլտրաձայնային սարքերից մինչև արդյունաբերական ուլտրաձայնային զոնդեր և ռեակտորներ՝ Hielscher ընկերությունն ունի ձեր գործընթացի համար իդեալական ուլտրաձայնային համակարգը։ Նանոնյութերի սինթեզի և դիսպերսման նման կիրառություններում երկարամյա փորձ ունեցող մեր լավ պատրաստված աշխատակիցները ձեզ կառաջարկեն ձեր պահանջներին առավել համապատասխան սարքակազմը։ Hielscher արդյունաբերական ուլտրաձայնային պրոցեսորները հայտնի են որպես արդյունաբերական ձեռնարկություններում հուսալիորեն աշխատող սարքեր։ Շատ բարձր ամպլիտուդներ ապահովելու ունակության շնորհիվ Hielscher ուլտրաձայնային սարքերն իդեալական են բարձր արտադրողականություն պահանջող կիրառությունների համար, ինչպիսիք են քսենների և այլ 2D միաշերտ նանոնյութերի՝ բորոֆենի, ֆոսֆորենի կամ գրաֆենի սինթեզը, ինչպես նաև այս նանոկառուցվածքների հուսալի դիսպերսումը։
Արտակարգ հզոր ուլտրաձայն. Hielscher Ultrasonics ընկերության արդյունաբերական ուլտրաձայնային պրոցեսորները կարող են ապահովել շատ բարձր ամպլիտուդներ։ Մինչև 200µm ամպլիտուդներով աշխատանքը կարելի է հեշտությամբ շարունակաբար իրականացնել 24/7 ռեժիմով։ Էլ ավելի բարձր ամպլիտուդների համար հասանելի են անհատական պատվերով պատրաստվող ուլտրաձայնային սոնոտրոդներ։
Բարձրագույն որակ – նախագծված և արտադրված է Գերմանիայում. Ամբողջ սարքավորումը նախագծվում և արտադրվում է Գերմանիայում գտնվող մեր գլխավոր կենտրոնում։ Հաճախորդին առաքելուց առաջ յուրաքանչյուր ուլտրաձայնային սարք մանրակրկիտ փորձարկվում է լրիվ բեռնվածությամբ։ Մենք ձգտում ենք հաճախորդների գոհունակությանը, և մեր արտադրությունը կազմակերպված է որակի ապահովման ամենաբարձր պահանջները բավարարելու համար (օրինակ՝ ISO հավաստագրում)։

Ստորև բերված աղյուսակը պատկերացում է տալիս մեր ուլտրաձայնային սարքերի մշակման մոտավոր հզորության մասին.