Գրաֆենի ուլտրաձայնային արտադրություն
Գրաֆիտի շերտազատմամբ գրաֆենի ուլտրաձայնային սինթեզը արդյունաբերական մասշտաբով բարձրորակ գրաֆենային թերթերի արտադրության ամենահուսալի և ամենաշահավետ մեթոդն է։ Hielscher-ի բարձր արդյունավետության ուլտրաձայնային պրոցեսորները ճշգրիտ կառավարելի են և կարող են ապահովել շատ բարձր ամպլիտուդներ՝ 24/7 աշխատանքային ռեժիմում։ Սա հնարավորություն է տալիս պարզ եղանակով ստանալ մեծ ծավալներով անաղարտ գրաֆեն՝ վերահսկելով դրա չափերը։
Գրաֆենի ուլտրաձայնային ստացում
Քանի որ գրաֆիտի արտասովոր բնութագրերը հայտնի են, մշակվել են դրա ստացման մի քանի մեթոդներ։ Բացի գրաֆենի օքսիդից բազմափուլ գործընթացներով գրաֆենների քիմիական ստացումից, որի համար անհրաժեշտ են շատ ուժեղ օքսիդացնող և վերականգնող նյութեր։ Բացի այդ, այս խիստ քիմիական պայմաններում ստացված գրաֆենը, նույնիսկ վերականգնումից հետո, հաճախ պարունակում է մեծ քանակությամբ արատներ՝ այլ մեթոդներով ստացված գրաֆենների համեմատ։ Սակայն ուլտրաձայնը բարձրորակ գրաֆեն ստանալու ապացուցված այլընտրանք է, այդ թվում՝ մեծ քանակություններով։ Հետազոտողները մշակել են ուլտրաձայնի կիրառման փոքր-ինչ տարբեր եղանակներ, սակայն ընդհանուր առմամբ գրաֆենի արտադրությունը պարզ, միափուլ գործընթաց է։
Ջրում գրաֆիտի փաթիլի սոնոմեխանիկական շերտազատումը պատկերող կադրերի արագ նկարահանված հաջորդականություն (a-ից f)՝ UP200S-ի՝ 3-mm սոնոտրոդով 200W ուլտրաձայնային սարքի կիրառմամբ։ Սլաքները ցույց են տալիս ճեղքման (շերտազատման) տեղը, որտեղ կավիտացիոն պղպջակները ներթափանցում են ճեղքի մեջ։
(հետազոտությունը և նկարները՝ © Tyurnina et al. 2020
UIP2000hdT – 2kW հզորությամբ ուլտրաձայնային սարք՝ գրաֆենի շերտազատման համար
Գրաֆենի ուլտրաձայնային շերտազատման առավելությունները
Hielscher-ի զոնդային տիպի ուլտրաձայնային սարքերն ու ռեակտորները գրաֆենի շերտազատումը դարձնում են բարձր արդյունավետությամբ գործընթաց, որը կիրառվում է հզոր ուլտրաձայնային ալիքների միջոցով գրաֆիտից գրաֆեն արտադրելու համար։ Այս տեխնիկան մի շարք առավելություններ է առաջարկում գրաֆենի արտադրության այլ մեթոդների համեմատ։ Գրաֆենի ուլտրաձայնային շերտազատման հիմնական առավելությունները հետևյալն են.
- Բարձր արդյունավետություն. Գրաֆենի շերտազատումը զոնդային տիպի ուլտրաձայնային մշակմամբ գրաֆենի արտադրության շատ արդյունավետ մեթոդ է։ Այն հնարավորություն է տալիս կարճ ժամանակում արտադրել մեծ քանակությամբ բարձրորակ գրաֆեն։
- Ցածր արժեք. Գրաֆենի արդյունաբերական արտադրության մեջ ուլտրաձայնային շերտազատման համար անհրաժեշտ սարքավորումները համեմատաբար էժան են գրաֆենի արտադրության այլ մեթոդների համար անհրաժեշտ սարքավորումների համեմատ, ինչպիսիք են քիմիական գոլորշային նստեցումը (CVD) և մեխանիկական շերտազատումը։
- Մասշտաբավորման հնարավորություն. Ուլտրաձայնային սարքով գրաֆենի շերտազատումը կարելի է հեշտությամբ մասշտաբավորել գրաֆենի լայնածավալ արտադրության համար։ Գրաֆենի ուլտրաձայնային շերտազատումն ու դիսպերգացումը կարող են իրականացվել ինչպես խմբաքանակային, այնպես էլ անընդհատ հոսքային գործընթացով։ Սա այն դարձնում է գործնական տարբերակ արդյունաբերական մասշտաբի կիրառությունների համար։
- Գրաֆենի հատկությունների վերահսկում. Զոնդային տիպի ուլտրաձայնային մշակմամբ գրաֆենի շերտազատումն ու շերտերի տարանջատումը հնարավորություն են տալիս ճշգրիտ վերահսկել ստացված գրաֆենի հատկությունները։ Դրանք ներառում են դրա չափերը, հաստությունը և շերտերի քանակը։
- Շրջակա միջավայրի վրա նվազագույն ազդեցություն. Ուլտրաձայնային զոնդով գրաֆենի շերտազատումը գրաֆենի արտադրության էկոլոգիապես մաքուր մեթոդ է, քանի որ այն կարող է կիրառվել ոչ թունավոր, շրջակա միջավայրի համար անվնաս լուծիչների հետ, ինչպիսիք են ջուրը կամ էթանոլը։ Սա նշանակում է, որ գրաֆենի շերտերի ուլտրաձայնային տարանջատումը հնարավորություն է տալիս խուսափել ագրեսիվ քիմիական նյութերի կամ բարձր ջերմաստիճանների կիրառումից կամ նվազեցնել դրանց կիրառումը։ Սա այն դարձնում է գրաֆենի արտադրության այլ մեթոդների էկոլոգիապես մաքուր այլընտրանք։
Ընդհանուր առմամբ, Hielscher-ի զոնդային տիպի ուլտրաձայնային սարքերով և ռեակտորներով գրաֆենի շերտազատումը գրաֆենի արտադրության տնտեսապես արդյունավետ, մասշտաբավորվող և էկոլոգիապես մաքուր մեթոդ է, որը հնարավորություն է տալիս ճշգրիտ վերահսկել ստացվող նյութի հատկությունները։
Ուլտրաձայնային մշակմամբ գրաֆենի պարզ արտադրության օրինակ
Գրաֆիտն ավելացվում է նոսր օրգանական թթվի, սպիրտի և ջրի խառնուրդի մեջ, այնուհետև խառնուրդը ենթարկվում է ուլտրաձայնային ճառագայթման։ Թթուն գործում է որպես «մոլեկուլային սեպ», որը գրաֆենի թերթերն անջատում է ելակետային գրաֆիտից։ Այս պարզ գործընթացով ստացվում է ջրում դիսպերգացված մեծ քանակությամբ անվնաս, բարձրորակ գրաֆեն։ (An et al. 2010)
Գրաֆենի նանոթիթեղների՝ բարձր լուծաչափով տրանսմիսիոն էլեկտրոնային մանրադիտակով ստացված պատկերներ․ նանոթիթեղները պատրաստվել են
ուլտրաձայնի օժանդակությամբ ջրային փուլում դիսպերսման և Hummer-ի մեթոդի միջոցով։
(Հետազոտություն և պատկեր՝ Ghanem և Rehim, 2018)
Գրաֆենի ուլտրաձայնային սինթեզի, դիսպերսման և ֆունկցիոնալացման մասին ավելին իմանալու համար սեղմեք այստեղ՝
- Գրաֆենի արտադրություն
- Գրաֆենի նանոթիթեղիկներ
- Գրաֆենի շերտազատում ջրային միջավայրում
- Ջրում դիսպերսվող գրաֆեն
- Գրաֆենի օքսիդ
- Քսեններ
Գրաֆենի ուղղակի շերտազատում
Ուլտրաձայնը հնարավորություն է տալիս գրաֆեններ ստանալ օրգանական լուծիչներում, մակերևութաակտիվ նյութերի ջրային լուծույթներում կամ իոնային հեղուկներում։ Սա նշանակում է, որ կարելի է խուսափել ուժեղ օքսիդացնող կամ վերականգնող նյութերի օգտագործումից։ Stankovich-ը և համահեղինակները (2007) գրաֆեն են ստացել ուլտրաձայնային մշակման պայմաններում շերտազատման միջոցով։
Ջրում 1 mg/mL կոնցենտրացիայի դեպքում ուլտրաձայնային մշակմամբ շերտազատված գրաֆենի օքսիդի AFM պատկերները միշտ ցույց են տվել միատեսակ հաստությամբ թիթեղների առկայություն (~1 nm․ օրինակը ներկայացված է ստորև բերված պատկերում)։ Գրաֆենի օքսիդի այս լավ շերտազատված նմուշները չեն պարունակել 1nm-ից հաստ կամ բարակ թիթեղներ, ինչը հանգեցրել է այն եզրակացությանը, որ այս պայմաններում իսկապես իրականացվել է գրաֆենի օքսիդի ամբողջական շերտազատում՝ մինչև գրաֆենի օքսիդի առանձին թիթեղներ։ (Stankovich et al. 2007)
Շերտազատված GO թիթեղների AFM պատկեր՝ տարբեր տեղամասերում ստացված բարձրության երեք պրոֆիլներով
(պատկեր և հետազոտություն՝ ©Stankovich et al., 2007)
Գրաֆենի թիթեղների ստացում
Stengl-ը և համահեղինակները ցույց են տվել մեծ քանակությամբ մաքուր գրաֆենի թիթեղների հաջող ստացումը ոչ ստեքիոմետրիկ TiO2–գրաֆեն նանոկոմպոզիտի արտադրության ընթացքում՝ գրաֆենի նանոթիթեղներ և տիտանի երկօքսիդի պերօքսոկոմպլեքս պարունակող կախույթի ջերմային հիդրոլիզի միջոցով։ Մաքուր գրաֆենի նանոթիթեղները ստացվել են բնական գրաֆիտից՝ բարձր ինտենսիվության կավիտացիոն դաշտի միջոցով, որը ստեղծվել է Hielscher-ի UIP1000hd ուլտրաձայնային պրոցեսորով՝ 5 bar ճնշման տակ աշխատող ուլտրաձայնային ռեակտորում։ Ստացված գրաֆենի թիթեղները, որոնք ունեն մեծ տեսակարար մակերես և եզակի էլեկտրոնային հատկություններ, կարող են օգտագործվել որպես լավ կրիչ TiO2-ի համար՝ ֆոտոկատալիտիկ ակտիվությունը բարձրացնելու նպատակով։ Հետազոտական խումբը պնդում է, որ ուլտրաձայնային եղանակով ստացված գրաֆենի որակը շատ ավելի բարձր է, քան Hummer-ի մեթոդով ստացված գրաֆենինը, որի դեպքում գրաֆիտը շերտազատվում և օքսիդացվում է։ Քանի որ ուլտրաձայնային ռեակտորում ֆիզիկական պայմանները կարող են ճշգրիտ վերահսկվել, և ենթադրելով, որ որպես լեգիրող հավելանյութ օգտագործվող գրաֆենի կոնցենտրացիան կտատանվի 1 – 0,001% միջակայքում, առևտրային մասշտաբով գրաֆենի արտադրությունը հեշտությամբ կարելի է կազմակերպել անընդհատ գործող համակարգում։ Բարձրորակ գրաֆենի արդյունավետ շերտազատման համար արդյունաբերական ուլտրաձայնային սարքերն ու հոսքագծային ռեակտորները հեշտությամբ հասանելի են։
Ուլտրաձայնային ռեակտոր՝ գրաֆենի շերտազատման և դիսպերսման համար։
Ստացում գրաֆենի օքսիդի ուլտրաձայնային մշակմամբ
Oh-ը և համահեղինակները (2010) ցույց են տվել գրաֆենի օքսիդի (GO) շերտերի ստացման եղանակ՝ ուլտրաձայնային ճառագայթման կիրառմամբ։ Այդ նպատակով նրանք քսանհինգ միլիգրամ գրաֆենի օքսիդի փոշի են կախույթացրել 200 ml դեիոնացված ջրում։ Խառնելով՝ նրանք ստացել են անհամասեռ շագանակագույն կախույթ։ Ստացված կախույթները ենթարկվել են ուլտրաձայնային մշակման (30 min, 1,3 × 105J), իսկ չորացումից հետո (373 K ջերմաստիճանում) ստացվել է ուլտրաձայնով մշակված գրաֆենի օքսիդ։ FTIR սպեկտրոսկոպիան ցույց է տվել, որ ուլտրաձայնային մշակումը չի փոխել գրաֆենի օքսիդի ֆունկցիոնալ խմբերը։
Ուլտրաձայնային մշակմամբ ստացված անաղարտ գրաֆենի նանոթիթեղների SEM պատկեր (Oh et al., 2010)
Գրաֆենի թիթեղների ֆունկցիոնալացում
Xu-ն և Suslick-ը (2011) նկարագրում են պոլիստիրոլով ֆունկցիոնալացված գրաֆիտի ստացման հարմար միափուլ մեթոդ։ Իրենց ուսումնասիրության մեջ նրանք որպես հիմնական հումք օգտագործել են գրաֆիտի փաթիլներ և ստիրոլ։ Ստիրոլում (ռեակցունակ մոնոմեր) գրաֆիտի փաթիլների ուլտրաձայնային մշակման ընթացքում ուլտրաձայնային ճառագայթումը հանգեցրել է գրաֆիտի փաթիլների մեխանաքիմիական շերտազատմանը՝ առաջացնելով միաշերտ և սակավաշերտ գրաֆենային թերթեր։ Միաժամանակ իրականացվել է գրաֆենային թերթերի ֆունկցիոնալացում պոլիստիրոլային շղթաներով։
Ֆունկցիոնալացման նույն գործընթացը կարելի է իրականացնել այլ վինիլային մոնոմերներով՝ գրաֆենի հիմքով կոմպոզիտներ ստանալու համար։
Հզոր ուլտրաձայնի արդյունաբերական համակարգ՝ հոսքագծում գրաֆենի արդյունաբերական շերտազատման համար։
Գրաֆենի դիսպերսիաներ
Գրաֆենի և գրաֆենի օքսիդի դիսպերսման աստիճանը չափազանց կարևոր է գրաֆենի՝ իր յուրահատուկ բնութագրերով պայմանավորված ամբողջ ներուժն օգտագործելու համար։ Եթե գրաֆենը չի դիսպերսվում վերահսկվող պայմաններում, գրաֆենի դիսպերսիայի պոլիդիսպերսությունը սարքերում այն ներառելուց հետո կարող է հանգեցնել անկանխատեսելի կամ ոչ իդեալական վարքի, քանի որ գրաֆենի հատկությունները փոփոխվում են՝ կախված դրա կառուցվածքային պարամետրերից։ Ուլտրաձայնային մշակումը միջշերտային ուժերը թուլացնելու ապացուցված միջոց է և թույլ է տալիս ճշգրիտ վերահսկել մշակման կարևոր պարամետրերը։
«Գրաֆենի օքսիդի (GO) դեպքում, որը սովորաբար շերտազատվում է միաշերտ թերթերի տեսքով, պոլիդիսպերսության հիմնական խնդիրներից մեկը ծագում է փաթիլների հարթության մակերեսի տարբերություններից։ Ցույց է տրվել, որ GO-ի միջին լայնական չափը կարելի է փոխել 400 nm-ից մինչև 20 μm՝ փոխելով ելանյութ հանդիսացող գրաֆիտը և ուլտրաձայնային մշակման պայմանները»։ (Green et al. 2010)
Գրաֆենի ուլտրաձայնային դիսպերսումը, որի արդյունքում ստացվում են մանր և համասեռ կոլոիդային կախույթներ, ցուցադրվել է նաև տարբեր այլ ուսումնասիրություններում։ (Liu et al. 2011/ Baby et al. 2011/ Choi et al. 2010)
Zhang-ը և համահեղինակները (2010) ցույց են տվել, որ ուլտրաձայնային մշակմամբ ստացվում են գրաֆենի կայուն դիսպերսիա՝ 1 mg·mL−1 բարձր կոնցենտրացիայով, և համեմատաբար մաքուր գրաֆենային թերթեր, իսկ այդ եղանակով ստացված գրաֆենային թերթերի բարձր էլեկտրահաղորդականությունը կազմում է 712 S·m−1։ Ֆուրիեի ձևափոխմամբ ինֆրակարմիր սպեկտրների և Ռամանի սպեկտրների ուսումնասիրության արդյունքները ցույց են տվել, որ ստացման ուլտրաձայնային մեթոդն ավելի քիչ է վնասում գրաֆենի քիմիական և բյուրեղային կառուցվածքները։
Բարձր արտադրողականությամբ ուլտրաձայնային սարքեր՝ գրաֆենի շերտազատման համար
Բարձրորակ գրաֆենային նանոթերթերի արտադրության համար անհրաժեշտ է հուսալի, բարձր արտադրողականությամբ ուլտրաձայնային սարքավորում։ Ամպլիտուդը, ճնշումը և ջերմաստիճանը էական պարամետրեր են, որոնք վճռորոշ նշանակություն ունեն վերարտադրելիության և արտադրանքի կայուն որակի համար։ Hielscher Ultrasonics-ի ուլտրաձայնային պրոցեսորները հզոր և ճշգրիտ կառավարելի համակարգեր են, որոնք թույլ են տալիս ճշգրիտ սահմանել գործընթացի պարամետրերը և շարունակաբար ապահովել բարձր հզորության ուլտրաձայնի ելք։ Hielscher Ultrasonics-ի արդյունաբերական ուլտրաձայնային պրոցեսորները կարող են ապահովել շատ բարձր ամպլիտուդներ։ Մինչև 200µm ամպլիտուդներով կարելի է հեշտությամբ աշխատել անընդհատ՝ 24/7 ռեժիմով։ Էլ ավելի բարձր ամպլիտուդների համար հասանելի են հատուկ պատվերով պատրաստվող ուլտրաձայնային սոնոտրոդներ։ Hielscher-ի ուլտրաձայնային սարքավորումների ամրությունը թույլ է տալիս աշխատել 24/7 ռեժիմով՝ մեծ բեռնվածությամբ և խիստ պահանջներով միջավայրերում։
Մեր հաճախորդները գոհ են Hielscher Ultrasonics-ի համակարգերի բացառիկ ամրությունից և հուսալիությունից։ Մեծ բեռնվածությամբ կիրառություններում և խիստ պահանջներով միջավայրերում տեղադրումն ու 24/7 ռեժիմով աշխատանքն ապահովում են արդյունավետ և տնտեսող մշակում։ Գործընթացի ուլտրաձայնային ինտենսիվացումը կրճատում է մշակման ժամանակը և ապահովում ավելի լավ արդյունքներ, այսինքն՝ ավելի բարձր որակ, ավելի բարձր ելք և նորարարական արտադրանք։
Ստորև բերված աղյուսակը պատկերացում է տալիս մեր ուլտրաձայնային սարքերի մոտավոր մշակման հզորության մասին.
| Խմբաքանակի ծավալ | Ծավալային հոսքի արագություն | Առաջարկվող սարքեր |
|---|---|---|
| 0,5–1,5mL | n.a. | VialTweeter |
| 1–500mL | 10–200mL/min | UP100H |
| 10–2000mL | 20–400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1–20L | 0,2–4L/min | UIP2000hdT |
| 10–100L | 2–10L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10–100L/min | UIP16000 |
| n.a. | ավելի մեծ | սարքերի համախումբ՝ UIP16000 |
Կապվե՛ք մեզ հետ։ / Հարցրե՛ք մեզ։
Ածխածնային նանագալարների ստացում
Ածխածնային նանագալարները նման են բազմապատ ածխածնային նանոխողովակներին։ MWCNTs-ից դրանք տարբերվում են բաց ծայրերով և այլ մոլեկուլների համար ներքին մակերևույթների լիակատար հասանելիությամբ։ Դրանք կարելի է սինթեզել թաց քիմիական եղանակով՝ գրաֆիտի մեջ կալիում ինտերկալացնելով, ջրում շերտազատելով և կոլոիդային կախույթն ուլտրաձայնով մշակելով։ (տե՛ս Viculis et al. 2003) Ուլտրաձայնային մշակումը նպաստում է գրաֆենի միաշերտերի՝ ածխածնային նանագալարների ձևով փաթաթվելուն (տե՛ս ստորև բերված գծապատկերը)։ Ձեռք է բերվել փոխակերպման բարձր՝ 80% արդյունավետություն, ինչը նանագալարների արտադրությունը հետաքրքիր է դարձնում առևտրային կիրառությունների համար։
Ածխածնային նանագալարների ուլտրաձայնային սինթեզ (Viculis et al. 2003)
Նանոժապավենների ստացում
Հոնգջիե Դայի և Ստենֆորդի համալսարանի նրա գործընկերների հետազոտական խումբը գտել է նանոժապավենների ստացման մեթոդ։ Գրաֆենային ժապավենները գրաֆենի բարակ շերտիկներ են, որոնք կարող են ունենալ նույնիսկ ավելի օգտակար բնութագրեր, քան գրաֆենի թերթերը։ Մոտ 10 nm կամ ավելի փոքր լայնության դեպքում գրաֆենային ժապավենների վարքը նման է կիսահաղորդչի վարքին, քանի որ էլեկտրոնները ստիպված են շարժվել երկայնական ուղղությամբ։ Ուստի էլեկտրոնիկայում կիսահաղորդչային գործառույթներով նանոժապավենների օգտագործումը կարող է հետաքրքիր լինել (օրինակ՝ ավելի փոքր և արագ համակարգչային չիպերի համար)։
Dai et al.-ի՝ գրաֆենային նանոժապավենների ստացման եղանակը հիմնված է երկու փուլի վրա. նախ նրանք թուլացրել են գրաֆիտում գրաֆենի շերտերի կապը՝ մեկ րոպե տևողությամբ ջերմային մշակմամբ՝ 1000ºC ջերմաստիճանում, արգոն գազի մեջ 3% ջրածնի առկայությամբ։ Այնուհետև գրաֆենը ուլտրաձայնային մշակմամբ բաժանել են շերտիկների։ Այս մեթոդով ստացված նանոժապավեններն ունեն շատ ավելի «հարթ» եզրեր, քան սովորական լիթոգրաֆիական եղանակներով ստացվածները։ (Jiao et al. 2009)
Գրաֆենի արտադրություն՝ ուլտրաձայնի օժանդակությամբ
Փաստեր, որոնք արժե իմանալ
Ի՞նչ է գրաֆենը
Գրաֆիտը կազմված է sp2-հիբրիդացված, վեցանկյուն կառուցվածքով դասավորված ածխածնի ատոմների երկչափ թերթերից՝ գրաֆենից, որոնք կանոնավոր կերպով շարված են իրար վրա։ Գրաֆենի՝ մեկ ատոմի հաստությամբ թերթերը, որոնք քիմիական կապերի առաջացմամբ չուղեկցվող փոխազդեցությունների միջոցով կազմում են գրաֆիտը, բնութագրվում են չափազանց մեծ մակերեսով։ Գրաֆենն իր բազալ հարթությունների երկայնքով ցուցաբերում է արտասովոր ամրություն և կոշտություն, որը մոտ 1020 GPa արժեքով գրեթե հասնում է ալմաստի ամրության արժեքին։
Գրաֆենը որոշ ալոտրոպ ձևերի հիմնական կառուցվածքային տարրն է. դրանց թվում, բացի գրաֆիտից, կան նաև ածխածնային նանոխողովակներն ու ֆուլերենները։ Որպես հավելանյութ օգտագործվելիս գրաֆենը կարող է կտրուկ բարելավել պոլիմերային կոմպոզիտների էլեկտրական, ֆիզիկական, մեխանիկական և պատնեշային հատկությունները՝ նույնիսկ չափազանց ցածր պարունակության դեպքում։ (Xu, Suslick 2011)
Իր հատկություններով գրաֆենն առավելագույն ցուցանիշներով նյութ է և, հետևաբար, խոստումնալից է կոմպոզիտներ, ծածկույթներ կամ միկրոէլեկտրոնիկա արտադրող արդյունաբերական ճյուղերի համար։ Geim (2009)-ը գրաֆենը որպես գերնյութ հակիրճ նկարագրում է հետևյալ պարբերության մեջ.
«Այն տիեզերքի ամենաբարակ նյութն է և երբևէ չափվածներից ամենաամուրը։ Դրա լիցքակիրներն ունեն հսկայական սեփական շարժունակություն, ամենափոքր արդյունավետ զանգվածը (այն զրո է) և սենյակային ջերմաստիճանում կարող են առանց ցրման անցնել միկրոմետրերի երկարությամբ տարածություններ։ Գրաֆենը կարող է դիմանալ պղնձի համեմատ 6 կարգով ավելի բարձր հոսանքի խտությունների, ցուցաբերում է ռեկորդային ջերմահաղորդականություն և կոշտություն, անթափանց է գազերի համար և համատեղում է այնպիսի հակասական հատկություններ, ինչպիսիք են փխրունությունն ու պլաստիկությունը։ Գրաֆենում էլեկտրոնների տեղափոխությունը նկարագրվում է Դիրակի հավասարմանը նման հավասարմամբ, ինչը թույլ է տալիս սեղանի վրա տեղավորվող փորձարարական սարքավորմամբ ուսումնասիրել ռելյատիվիստական քվանտային երևույթները»։
Նյութի այս բացառիկ բնութագրերի շնորհիվ գրաֆենն ամենախոստումնալից նյութերից մեկն է և գտնվում է նանոնյութերի հետազոտությունների ուշադրության կենտրոնում։
Գրաֆենի հնարավոր կիրառությունները
Կենսաբանական կիրառություններ. Գրաֆենի ուլտրաձայնային ստացման և դրա կենսաբանական կիրառության օրինակ է ներկայացված Park և համահեղինակների (2011) «Գրաֆեն–ոսկի նանոկոմպոզիտների սինթեզը սոնոքիմիական վերականգնման միջոցով» ուսումնասիրության մեջ, որտեղ վերականգնված գրաֆենի օքսիդից և ոսկու (Au) նանոմասնիկներից կազմված նանոկոմպոզիտ է սինթեզվել՝ միաժամանակ վերականգնելով ոսկու իոնները և ոսկու նանոմասնիկները նստեցնելով վերականգնված գրաֆենի օքսիդի մակերևույթին։ Ոսկու իոնների վերականգնումը և վերականգնված գրաֆենի օքսիդի վրա ոսկու նանոմասնիկների ամրացման համար թթվածնային ֆունկցիոնալ խմբերի առաջացումը հեշտացնելու նպատակով ռեագենտների խառնուրդը ենթարկվել է ուլտրաձայնային ճառագայթման։ Ոսկի կապող պեպտիդներով ձևափոխված կենսամոլեկուլների ստացումը ցույց է տալիս գրաֆենի և գրաֆենային կոմպոզիտների ուլտրաձայնային ճառագայթման ներուժը։ Հետևաբար, ուլտրաձայնը, ըստ երևույթին, հարմար գործիք է այլ կենսամոլեկուլներ ստանալու համար։
Էլեկտրոնիկա. Գրաֆենը էլեկտրոնիկայի ոլորտի համար բարձր ֆունկցիոնալությամբ նյութ է։ Գրաֆենի ցանցում լիցքակիրների բարձր շարժունակության շնորհիվ գրաֆենը մեծագույն հետաքրքրություն է ներկայացնում բարձր հաճախականությունների տեխնոլոգիաներում արագագործ էլեկտրոնային բաղադրիչների մշակման համար։
Սենսորներ. Ուլտրաձայնով շերտազատված գրաֆենը կարող է օգտագործվել բարձր զգայունությամբ և ընտրողականությամբ կոնդուկտոմետրական սենսորների (որոնց դիմադրությունն էթանոլի հագեցած գոլորշում արագ փոփոխվում է >10 000%-ով), ինչպես նաև չափազանց բարձր տեսակարար ունակությամբ (120 F/g), հզորության խտությամբ (105 kW/kg) և էներգիայի խտությամբ (9,2 Wh/kg) գերկոնդենսատորների արտադրության համար։ (An և համահեղինակներ, 2010)
Սպիրտ. Սպիրտի արտադրության համար. Հնարավոր լրացուցիչ կիրառություն է գրաֆենի օգտագործումը սպիրտի արտադրության մեջ, որտեղ գրաֆենային թաղանթները կարող են օգտագործվել սպիրտը թորելու և այդպիսով ալկոհոլային խմիչքների թնդությունը բարձրացնելու համար։
Որպես ամենաամուր, ամենաբարձր էլեկտրահաղորդականությամբ և ամենաթեթև ու ամենաճկուն նյութերից մեկը՝ գրաֆենը խոստումնալից նյութ է արևային բջիջների, կատալիզի, թափանցիկ և լույս արձակող էկրանների, միկրոմեխանիկական ռեզոնատորների, տրանզիստորների համար, որպես կաթոդ՝ լիթիում–օդային մարտկոցներում, գերզգայուն քիմիական դետեկտորների և հաղորդիչ ծածկույթների համար, ինչպես նաև կոմպաունդներում որպես հավելանյութ օգտագործելու համար։
Բարձր հզորության ուլտրաձայնի աշխատանքի սկզբունքը
Հեղուկները բարձր ինտենսիվությամբ ուլտրաձայնով մշակելիս հեղուկ միջավայրում տարածվող ձայնային ալիքներն առաջացնում են բարձր ճնշման (սեղմման) և ցածր ճնշման (նոսրացման) հերթագայվող ցիկլեր, որոնց կրկնման արագությունը կախված է հաճախականությունից։ Ցածր ճնշման ցիկլի ընթացքում բարձր ինտենսիվության ուլտրաձայնային ալիքները հեղուկում առաջացնում են փոքր վակուումային պղպջակներ կամ խոռոչներ։ Երբ պղպջակները հասնում են այնպիսի ծավալի, որի դեպքում այլևս չեն կարող էներգիա կլանել, բարձր ճնշման ցիկլի ընթացքում դրանք բուռն փլուզվում են։ Այս երևույթը կոչվում է կավիտացիա։ Դեպի ներս փլուզման ընթացքում տեղային կերպով առաջանում են շատ բարձր ջերմաստիճաններ (մոտ 5 000K) և ճնշումներ (մոտ 2 000atm)։ Կավիտացիոն պղպջակի դեպի ներս փլուզումը նաև առաջացնում է մինչև 280m/s արագությամբ հեղուկի շիթեր։ (Suslick 1998) Ուլտրաձայնով առաջացած կավիտացիան առաջացնում է քիմիական և ֆիզիկական ազդեցություններ, որոնք կարող են կիրառվել գործընթացներում։
Կավիտացիայով պայմանավորված սոնոքիմիան ապահովում է էներգիայի և նյութի յուրահատուկ փոխազդեցություն՝ պղպջակների ներսում ~5000 K ջերմաստիճանով տաք կետերով, ~1000 bar ճնշումներով և >1010K s-1 տաքացման ու սառեցման արագություններով։ Այս արտասովոր պայմանները հնարավորություն են տալիս իրականացնել սովորաբար անհասանելի քիմիական ռեակցիաների մի ամբողջ շարք, ինչը թույլ է տալիս սինթեզել անսովոր նանոկառուցվածքային նյութերի լայն բազմազանություն։ (Bang 2010)
Գրականություն / Հղումներ
- FactSheet: Ultrasonic Graphene Exfoliation and Dispersion — Hielscher Ultrasonics — english version
- FactSheet: Exfoliación y Dispersión de Grafeno por Ultrasonidos — Hielscher Ultrasonics — spanish version
- Adam K. Budniak, Niall A. Killilea, Szymon J. Zelewski, Mykhailo Sytnyk, Yaron Kauffmann, Yaron Amouyal, Robert Kudrawiec, Wolfgang Heiss, Efrat Lifshitz (2020): Exfoliated CrPS4 with Promising Photoconductivity. Small Vol.16, Issue1. January 9, 2020.
- Anastasia V. Tyurnina, Iakovos Tzanakis, Justin Morton, Jiawei Mi, Kyriakos Porfyrakis, Barbara M. Maciejewska, Nicole Grobert, Dmitry G. Eskin 2020): Ultrasonic exfoliation of graphene in water: A key parameter study. Carbon, Vol. 168, 2020.
- Adam K. Budniak, Niall A. Killilea, Szymon J. Zelewski, Mykhailo Sytnyk, Yaron Kauffmann, Yaron Amouyal, Robert Kudrawiec, Wolfgang Heiss, Efrat Lifshitz (2020): Exfoliated CrPS4 with Promising Photoconductivity. Small Vol.16, Issue1. January 9, 2020.
- Stengl, V.; Popelková, D.; Vlácil, P. (2011): TiO2-Graphene Nanocomposite as High Performance Photocatalysts. In: Journal of Physical Chemistry C 115/2011. pp. 25209-25218.
- An, X.; Simmons, T.; Shah, R.; Wolfe, C.; Lewis, K. M.; Washington, M.; Nayak, S. K.; Talapatra, S.; Kar, S. (2010): Stable Aqueous Dispersions of Noncovalently Functionalized Graphene from Graphite and their Multifunctional High-Performance Applications. Nano Letters 10/2010. pp. 4295-4301.
- Baby, T. Th.; Ramaprabhu, S. (2011): Enhanced convective heat transfer using graphene dispersed nanofluids. Nanoscale Research Letters 6:289, 2011.
- Bang, J. H.; Suslick, K. S. (2010): Applications of Ultrasound to the Synthesis of Nanostructured Materials. Advanced Materials 22/2010. pp. 1039-1059.
- Choi, E. Y.; Han, T. H.; Hong, J.; Kim, J. E.; Lee, S. H.; Kim, H. W.; Kim, S. O. (2010): Noncovalent functionalization of graphene with end-functional polymers. Journal of Materials Chemistry 20/ 2010. pp. 1907-1912.
- Geim, A. K. (2009): Graphene: Status and Prospects. Science 324/2009. pp. 1530-1534.
- Green, A. A.; Hersam, M. C. (2010): Emerging Methods for Producing Monodisperse Graphene Dispersions. Journal of Physical Chemistry Letters 2010. pp. 544-549.
- Guo, J.; Zhu, S.; Chen, Z.; Li, Y.; Yu, Z.; Liu, Z.; Liu, Q.; Li, J.; Feng, C.; Zhang, D. (2011): Sonochemical synthesis of TiO2 nanoparticles on graphene for use as photocatalyst
- Hasan, K. ul; Sandberg, M. O.; Nur, O.; Willander, M. (2011): Polycation stabilization of graphene suspensions. Nanoscale Research Letters 6:493, 2011.
- Liu, X.; Pan, L.; Lv, T.; Zhu, G.; Lu, T.; Sun, Z.; Sun, C. (2011): Microwave-assisted synthesis of TiO2-reduced graphene oxide composites for the photocatalytic reduction of Cr(VI). RSC Advances 2011.
- Malig, J.; Englert, J. M.; Hirsch, A.; Guldi, D. M. (2011): Wet Chemistry of Graphene. The Electrochemical Society Interface, Spring 2011. pp. 53-56.
- Oh, W. Ch.; Chen, M. L.; Zhang, K.; Zhang, F. J.; Jang, W. K. (2010): The Effect of Thermal and Ultrasonic Treatment on the Formation of Graphene-oxide Nanosheets. Journal of the Korean Physical Society 4/56, 2010. pp. 1097-1102.
- Sametband, M.; Shimanovich, U.; Gedanken, A. (2012): Graphene oxide microspheres prepared by a simple, one-step ultrasonication method. New Journal of Chemistry 36/2012. pp. 36-39.
- Savoskin, M. V.; Mochalin, V. N.; Yaroshenko, A. P.; Lazareva, N. I.; Konstanitinova, T. E.; Baruskov, I. V.; Prokofiev, I. G. (2007): Carbon nanoscrolls produced from acceptor-type graphite intercalation compounds. Carbon 45/2007. pp. 2797-2800.
- Stankovich, S.; Dikin, D. A.; Piner, R. D.; Kohlhaas, K. A.; Kleinhammes, A.; Jia, Y.; Wu, Y.; Nguyen, S. T.; Ruoff, R. S. (2007): Synthesis of graphene-based nanosheets via chemical reduction of exfoliated graphite oxide. Carbon 45/2007. pp. 1558-1565.
- Viculis, L. M.; Mack, J. J.; Kaner, R. B. (2003): A Chemical Route To Carbon Nanoscrolls. Science, 299/1361; 2003.
- Xu, H.; Suslick, K. S. (2011): Sonochemical Preparation of Functionalized Graphenes. In: Journal of American Chemical Society 133/2011. pp. 9148-9151.
- Zhang, W.; He, W.; Jing, X. (2010): Preparation of a Stable Graphene Dispersion with High Concentration by Ultrasound. Journal of Physical Chemistry B 32/114, 2010. pp. 10368-10373.
- Jiao, L.; Zhang, L.; Wang, X.; Diankov, G.; Dai, H. (2009): Narrow graphene nanoribbons from carbon nanotubes. Nature 458/ 2009. pp. 877-880.
- Park, G.; Lee, K. G.; Lee, S. J.; Park, T. J.; Wi, R.; Kim, D. H. (2011): Synthesis of Graphene-Gold Nanocomposites via Sonochemical Reduction. Journal of Nanoscience and Nanotechnology 7/11, 2011. pp. 6095-6101.
- Zhang, R.Q.; De Sakar, A. (2011): Theoretical Studies on Formation, Property Tuning and Adsorption of Graphene Segments. In: M. Sergey (ed.): Physics and Applications of Graphene – Theory. InTech 2011. pp. 3-28.
Hielscher Ultrasonics-ն արտադրում է բարձր արդյունավետության ուլտրաձայնային հոմոգենիզատորներ՝ լաբորատոր չափերից մինչև արդյունաբերական չափեր։