I nanopiastrini di grafene (GNP) possono essere sintetizzati e dispersi con elevata efficienza e affidabilità utilizzando i sonicatori. Gli ultrasuoni ad alta intensità vengono impiegati per esfoliare la grafite e ottenere grafene a pochi strati, spesso chiamato nanoplatelets di grafene. La sonicazione eccelle anche nell'ottenere un'eccellente distribuzione di nanopiastrine di grafene in sospensioni sia a bassa che ad alta viscosità.

Elaborazione di nanopiastrine di grafene – Risultati superiori con la sonicazione

Per la lavorazione delle nanopiastrine di grafene, i sonicatori a sonda sono lo strumento più efficiente, affidabile e facile da usare. Poiché gli ultrasuoni possono essere applicati per la sintesi, la dispersione e la funzionalizzazione di nanopiastrine di grafene, i sonicatori sono utilizzati per numerose applicazioni legate al grafene:

• Esfoliazione e sintesi I sonicatori a sonda vengono utilizzati per esfoliare la grafite in grafene a pochi strati o nanopiastrine di grafene. Gli ultrasuoni ad alta intensità interrompono le forze interstrato e rompono la grafite in singoli fogli di grafene più piccoli.
• Dispersione: La dispersione uniforme di nanopiastrine di grafene in un mezzo liquido è fondamentale per tutte le applicazioni legate al grafene. I sonicatori a sonda possono disperdere le nanopiastrine in modo uniforme nel liquido, evitando agglomerazioni e garantendo una sospensione stabile.
• Funzionalizzazione: La sonicazione facilita la funzionalizzazione delle nanopiastrine di grafene, promuovendo l'attaccamento di gruppi funzionali o molecole alla loro superficie. Questa funzionalizzazione aumenta la loro compatibilità con polimeri o materiali specifici.

Sintesi di nanopiastrine di grafene mediante sonicazione

I nanopiastrini di grafene possono essere sintetizzati mediante esfoliazione della grafite assistita da ultrasuoni. Pertanto, una sospensione di grafite viene sonicata utilizzando un omogeneizzatore a ultrasuoni a sonda. Questa procedura è stata testata con concentrazioni di solido da molto basse (ad esempio 4wt% o inferiori) a elevate (ad esempio 10wt% o superiori).
 
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.

Immagini al microscopio elettronico a trasmissione ad alta risoluzione di nanosheet di grafene ottenuti
tramite dispersione in fase acquosa assistita da ultrasuoni e metodo Hummer.
(Studio e grafica: Ghanem e Rehim, 2018)

Qual è la differenza tra fogli di grafene e nanoplatelets?

I fogli di grafene e i nanopiastrini di grafene sono entrambi nanomateriali composti da grafene, che è un singolo strato di atomi di carbonio disposti in un reticolo esagonale. A volte i fogli di grafene e i nanopiastrini di grafene sono usati come termini intercambiabili. Dal punto di vista scientifico, però, esistono alcune differenze tra questi nanomateriali di grafene: La differenza principale tra i fogli di grafene e i nanopiastrini di grafene risiede nella loro struttura e nel loro spessore. I fogli di grafene sono costituiti da un singolo strato di atomi di carbonio e sono eccezionalmente sottili, mentre i nanoplatelets di grafene sono più spessi e composti da più strati di grafene impilati. Queste differenze strutturali possono avere un impatto sulle loro proprietà e sull'idoneità per applicazioni specifiche. L'uso di sonicatori a sonda è una tecnica altamente efficace ed efficiente per sintetizzare, disperdere e funzionalizzare fogli di grafene a strato singolo e nanopiastrine di grafene impilate a pochi strati.

Grafico che visualizza la sintesi ad ultrasuoni di nanopiastrine di grafene utilizzando il sonicatore UP100H
(Studio e grafica: Ghanem e Rehim, 2018)

Dispersione di nanopiastrine di grafene mediante sonicazione

La dispersione uniforme di nanopiastrine di grafene (GNP) è fondamentale in varie applicazioni, poiché influisce direttamente sulle proprietà e sulle prestazioni dei materiali o dei prodotti risultanti. Per questo motivo, i sonicatori vengono installati per la dispersione delle nanopiastrine di grafene in vari settori industriali. I seguenti settori sono esempi di spicco per l'uso degli ultrasuoni di potenza:
 

• Nano-compositi: Le nanopiastrine di grafene possono essere incorporate in vari materiali nanocompositi, come i polimeri, per migliorarne le proprietà meccaniche, elettriche e termiche. I sonicatori a sonda aiutano a disperdere uniformemente le nanopiastrine nella matrice polimerica, migliorando le prestazioni del materiale.
• Elettrodi e batterie: Le nanopiastrine di grafene sono utilizzate nello sviluppo di elettrodi ad alte prestazioni per batterie e supercondensatori. La sonicazione aiuta a creare materiali elettrodici ben dispersi a base di grafene con una maggiore area superficiale, che migliora le capacità di immagazzinamento dell'energia.
• Catalisi: La sonicazione può essere utilizzata per preparare materiali catalitici basati su nanopiastrine di grafene. La dispersione uniforme delle nanoparticelle catalitiche sulla superficie del grafene può aumentare l'attività catalitica in varie reazioni.
• Sensori: Le nanopiastrine di grafene possono essere impiegate nella fabbricazione di sensori per varie applicazioni, tra cui il rilevamento di gas, il biosensing e il monitoraggio ambientale. La sonicazione assicura una distribuzione omogenea delle nanopiastrine nei materiali del sensore, con conseguente miglioramento della sensibilità e delle prestazioni.
• Rivestimenti e pellicole: I sonicatori a sonda sono utilizzati per preparare rivestimenti e film a base di nanopiastrine di grafene per applicazioni nei settori elettronico, aerospaziale e dei rivestimenti protettivi. La dispersione uniforme e la corretta adesione ai substrati sono fondamentali per queste applicazioni.
• Applicazioni biomediche: Nelle applicazioni biomediche, le nanopiastrine di grafene possono essere utilizzate per la somministrazione di farmaci, l'imaging e l'ingegneria dei tessuti. La sonicazione contribuisce alla preparazione di nanoparticelle e compositi a base di grafene utilizzati in queste applicazioni.

Immagini SEM di nanopiastrine di grafene a (b) X3000 e (c) X8000
(Studio e immagini: ©Alizadeh et al., 2018)

Risultati scientificamente provati per le dispersioni di nanopiastrine di grafene a ultrasuoni

Gli scienziati hanno utilizzato i sonicatori Hielscher per la sintesi e la dispersione di nanopiastrine di grafene in numerosi studi e hanno testato con vigore gli effetti dell'ultrasuonazione. Qui di seguito sono riportati alcuni esempi di successo della miscelazione di nanopiastrine di grafene in miscele diverse, quali impasti acquosi, resine espansive o malte.
 
Una procedura comune per ottenere una dispersione affidabile, rapida e uniforme di nanopiastrine di grafene è la seguente:
Per la dispersione, le nanopiastrine di grafene sono state sonicate in acetone puro utilizzando il miscelatore a ultrasuoni Hielscher UP400S per quasi un'ora, al fine di evitare l'agglomerazione dei fogli di grafene. L'acetone è stato completamente rimosso per evaporazione. Quindi, i nanoplatelets di grafene sono stati aggiunti all'1 % in peso del sistema epossidico e sono stati sonicati nella resina epossidica a 90W per 15 minuti.
(cfr. Cakir et al., 2016)
 
Un altro studio ha analizzato il rafforzamento dei nanofluidi a base di liquido ionico (ionanofluidi) mediante l'aggiunta di nanopiastrine di grafene. Per ottenere una dispersione superiore, la miscela di nanopiastrine di grafene, liquido ionico e sodio dodecilbenzensolfonato è stata omogeneizzata con il sonicatore a sonda Hielscher UP200S per circa 90 minuti.
(cfr. Alizadeh et al., 2018)

 
Tragazikis et al. (2019) riportano l'efficace incorporazione di nanopiastrine di grafene nella malta. Pertanto, sono state prodotte sospensioni acquose di grafene mediante l'aggiunta di nanopiastrine - a pesi inscritti dai contenuti target desiderabili nei materiali risultanti - in miscele di normale acqua di rubinetto e plastificante e successiva agitazione magnetica per 2 minuti. Le sospensioni sono state omogeneizzate mediante ultrasuoni per 90 minuti a temperatura ambiente, utilizzando un dispositivo Hielscher UP400S (Hielscher Ultrasonics GmbH) dotato di un sonotrodo da 22 mm che eroga una potenza di 4500 J/min a una frequenza di 24 kHz. La combinazione specifica di velocità di energia e durata della sonicazione è stata stabilita come ottimale dopo un'indagine meticolosa dell'effetto dei parametri di ultrasonicazione sulla qualità della sospensione.
(cfr. Tragazikis et al., 2019)
 
Zainal et al. (2018) affermano nella loro ricerca che una tecnica di dispersione adeguata, come la sonicazione, garantisce che i nanomateriali come i nanopiastrine di grafene possano migliorare le proprietà dei materiali di riempimento. Ciò è dovuto al fatto che la dispersione è uno dei fattori più importanti per la produzione di nanocompositi di alta qualità come la malta epossidica.

Sonicatori ad alte prestazioni per la lavorazione di nanopiastrine di grafene

Hielscher Ultrasonics è leader di mercato per quanto riguarda gli ultrasuoni ad alte prestazioni per la lavorazione dei nanomateriali. I sonicatori a sonda Hielscher sono utilizzati in tutto il mondo in laboratori e ambienti industriali per varie applicazioni, tra cui la lavorazione di nanopiastrine di grafene.
La tecnologia all'avanguardia, l'artigianato e l'ingegneria tedesca e la lunga esperienza tecnica fanno di Hielscher Ultrasonics il vostro partner preferito per applicazioni a ultrasuoni di successo.

Progettazione, produzione e consulenza – Qualità Made in Germany

Gli ultrasuoni Hielscher sono noti per i loro elevati standard di qualità e design. La robustezza e la facilità d'uso consentono un'agevole integrazione dei nostri ultrasuoni negli impianti industriali. Gli ultrasuonatori Hielscher sono in grado di gestire facilmente condizioni difficili e ambienti impegnativi.

Hielscher Ultrasonics è un'azienda certificata ISO e pone particolare enfasi sugli ultrasuonatori ad alte prestazioni, caratterizzati da tecnologia all'avanguardia e facilità d'uso. Naturalmente, gli ultrasuoni Hielscher sono conformi alla normativa CE e soddisfano i requisiti UL, CSA e RoH.

La tabella seguente fornisce un'indicazione della capacità di lavorazione approssimativa dei nostri ultrasuoni: