I nanoscheletri monostrato di ossido di rutenio possono essere prodotti in modo efficiente utilizzando gli ultrasuoni a sonda. I principali vantaggi dell'esfoliazione ad ultrasuoni di nanoschede sono l'efficienza del processo, l'elevata resa, la brevità del trattamento e la facilità e sicurezza dell'operazione. Grazie all'elevata efficienza e alla qualità superiore dei nanosheets prodotti, l'ultrasonicazione viene utilizzata per la produzione industriale di numerosi nanosheets, tra cui grafene e borofene.

Esfoliazione a ultrasuoni di nanosheet di ossido di rutenio

I nanoscheletri di ossido di rutenio (RuO2, noto anche come rutenato) offrono proprietà uniche come l'alta conduttività, la bassa resistività, l'elevata stabilità, l'alta funzione lavoro e la buona suscettibilità all'incisione a secco. Ciò rende l'ossido di rutenio un buon materiale per gli elettrodi dei dispositivi di memoria e dei transistor.

Immagini SEM di nanosheet di RuO2 esfoliati con a) 1 minuto e b) 7 minuti di ultrasuoni.
(studio e immagini: ©Kim et al., 2021)

Caso di studio: Esfoliazione altamente efficiente di RuO2 con un ultrasuonatore a sonda

Kim et al. (2021) hanno dimostrato nel loro studio il significativo miglioramento dell'esfoliazione di nanoschede monostrato di ossido di rutenio. I ricercatori hanno creato alti rendimenti di sottili fogli di ossido metallico RuO2 utilizzando gli ultrasuoni. Il processo di intercalazione convenzionale attraverso reazioni di scambio ionico è lento e produce solo quantità limitate di nanosheet bidimensionali (2D) a causa delle dimensioni delle molecole e dell'energia chimica richiesta per la reazione. Per rendere il processo più veloce e aumentare la quantità di nano-fogli di ossido di rutenio prodotti, hanno intensificato il processo di esfoliazione applicando energia ad ultrasuoni alla soluzione di ossido di RuO2. Hanno scoperto che dopo soli 15 minuti di ultrasuoni, la quantità di fogli è aumentata di oltre il 50%, mentre la dimensione laterale dei fogli è diminuita. I calcoli della teoria funzionale della densità hanno dimostrato che l'energia di attivazione dell'esfoliazione è significativamente ridotta dalla suddivisione degli strati di RuO2 in una piccola dimensione laterale. Questa riduzione delle dimensioni avviene perché la sonicazione ha contribuito a rompere più facilmente gli strati di ossido metallico. Questa ricerca sottolinea che l'uso degli ultrasuoni è un modo valido e semplice per produrre nanoschede monostrato di ossido di rutenio. Ciò dimostra che un processo di scambio ionico supportato da ultrasuoni offre un approccio facile ed efficiente per la fabbricazione di nanostrati di ossido metallico 2D. I vantaggi dell'esfoliazione ultrasonica spiegano perché l'esfoliazione e la delaminazione ultrasonica sono ampiamente utilizzate come tecnica di produzione di nanomateriali 2D, noti anche come xeni, tra cui il grafene e il borofene.

L'esfoliazione a ultrasuoni promuove la produzione altamente efficiente e accelerata di nanosheet 2D di ossido di rutenio su larga scala
(studio e immagini: ©Kim et al., 2021).

Protocollo per l'esfoliazione dell'ossido di rutenio assistita da ultrasuoni

Il seguente protocollo è un'istruzione passo-passo per sintetizzare i nanosheet di RuO2 utilizzando il processo di reazione di scambio ionico supportato da ultrasuoni, come descritto da Kim et al. (2021).
 

1. Preparare una soluzione di RuO2 e di un intercalante sciogliendoli in solvente (2-propanolo) e agitando per un massimo di 3 giorni.
2. Applicare l'energia degli ultrasuoni con un ultrasuonatore a sonda (ad es. ultrasuonatore a sonda UP1000hdT (1000W, 20kHz) con sonotrodo BS4d22) alla soluzione per 15 minuti per aumentare la resa dei nanosheet di RuO2 di oltre il 50% e per dividere gli strati di RuO2 in una dimensione laterale uniformemente piccola.
3. Utilizzare i calcoli della teoria funzionale della densità per confermare che l'energia di attivazione dell'esfoliazione è significativamente ridotta.
4. Raccogliere i nanoscheletri di RuO2 ottenuti, che possono essere utilizzati per varie applicazioni.

 
La semplicità di questo protocollo per l'esfoliazione a ultrasuoni di nanosheet di RuO2 sottolinea i vantaggi della produzione di nanosheet a ultrasuoni. La sonicazione è una tecnica altamente efficiente per produrre nanostrati di RuO2 monostrato di alta qualità con uno spessore di circa 1 nm. Il protocollo è risultato inoltre scalabile e riproducibile, rendendolo adatto alla produzione su larga scala di nanosheet di RuO2 per varie applicazioni in elettronica, catalisi e stoccaggio di energia.

Una sequenza ad alta velocità (da a a f) di fotogrammi che illustrano l'esfoliazione sono-meccanica di un fiocco di grafite in acqua utilizzando l'UP200S, un ultrasuonatore da 200 W con sonotrodo da 3 mm. Le frecce mostrano il luogo della spaccatura (esfoliazione) con le bolle di cavitazione che penetrano nella spaccatura.
(studio e immagini: © Tyurnina et al. 2020

Ultrasuonatori ad alte prestazioni per l'esfoliazione di RuO2

Per la produzione di nano-fogli di ossido di rutenio e altri xeni di alta qualità, sono necessarie apparecchiature ad ultrasuoni affidabili e ad alte prestazioni. Ampiezza, pressione e temperatura sono parametri essenziali, fondamentali per la riproducibilità e la costanza del prodotto. I processori Hielscher Ultrasonics sono sistemi potenti e controllabili con precisione, che consentono l'impostazione esatta dei parametri di processo e l'emissione continua di ultrasuoni ad alta potenza. Gli ultrasuonatori industriali Hielscher possono erogare ampiezze molto elevate. Ampiezze fino a 200 µm possono essere facilmente gestite in modo continuo, 24 ore su 24, 7 giorni su 7. Per ampiezze ancora maggiori, sono disponibili sonotrodi a ultrasuoni personalizzati. La robustezza delle apparecchiature a ultrasuoni Hielscher consente il funzionamento 24 ore su 24, 7 giorni su 7, in condizioni di lavoro gravose e in ambienti difficili.
I nostri clienti sono soddisfatti dell'eccezionale robustezza e affidabilità dei sistemi Hielscher Ultrasonics. L'installazione in campi di applicazione gravosi (ad esempio, la lavorazione di nanomateriali su larga scala), gli ambienti difficili e il funzionamento 24 ore su 24, 7 giorni su 7, garantiscono una lavorazione efficiente ed economica. L'intensificazione del processo a ultrasuoni riduce i tempi di lavorazione e consente di ottenere risultati migliori, vale a dire una qualità superiore, rese più elevate e prodotti innovativi.

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: