プローブソニケーションによるグラフェンナノプレートレットの合成と分散

グラフェンナノプレートレット（GNPs）は、超音波処理装置を用いて高効率かつ高信頼性で合成・分散することができる。グラファイトを剥離し、グラフェンナノプレートレットと呼ばれる数層のグラフェンを得るには、高強度の超音波処理を用いる。ソニケーションはまた、低粘性および高粘性懸濁液のいずれにおいても、優れたグラフェンナノプレートレット分布を達成することに優れている。

グラフェンナノプレートレット加工 – ソニケーションによる優れた結果

グラフェンナノプレートレット加工において、プローブタイプのソニケーターは最も効率的で、信頼性が高く、使いやすいツールである。超音波処理はグラフェンナノプレートレットの合成、分散、機能化に適用できるため、超音波処理装置はグラフェン関連の数多くのアプリケーションに使用されている：

• 剥離と合成 グラファイトを数層のグラフェンまたはグラフェンナノプレートレットに剥離するために、プローブ型超音波照射装置が使用される。高強度超音波は、層間力を破壊し、グラファイトをより小さなグラフェンシートに分解する。
• 分散： グラフェンナノプレートレットを液体媒体中に均一に分散させることは、グラフェン関連のあらゆる用途にとって極めて重要である。プローブ型ソニケーターは、ナノプレートレットを液体中に均一に分散させることができ、凝集を防ぎ、安定した懸濁液を確保することができます。
• 官能基化： ソニケーションは、グラフェンナノプレートレット表面への官能基や分子の付着を促進し、グラフェンナノプレートレットの機能化を容易にする。この官能基化によって、特定のポリマーや材料との相溶性が向上する。

超音波処理によるグラフェンナノプレートの合成

グラフェンナノプレートレットは、超音波によるグラファイト剥離によって合成することができる。そのため、プローブ型超音波ホモジナイザーを用いてグラファイト懸濁液を超音波処理する。この方法は、非常に低濃度（例えば4wt％以下）から高濃度（例えば10wt％以上）の固形分濃度でテストされている。
 
Ghanem and Rehim（2018）は、プローブ型超音波処理装置「UP 100H」を用いて、分散グラフェンナノプレートレットを調製するために、ドデシルベンゼンスルホン酸ナトリウム（SDS）を用いて水中でグラファイトを超音波剥離した結果、欠陥のない数層グラフェン（>5）の調製に成功したことを報告している。還元グラフェンナノシートはハマー法で調製し、グラファイトの酸化と酸化グラフェンの還元の2つの工程を追加した。これにより、溶媒分散法を用いて水中に分散したグラフェンナノプレートレットを得た（下記スキーム参照）。グラファイト層は、プローブ型ソニケーターUP100H（100 W）を用いた超音波処理で剥離した。0.25 gのSDSを150 mLの脱イオン水に溶解し、0.5 gのグラファイトを加えた。グラファイト溶液を氷浴中で12時間超音波処理した後、懸濁液を686×gで30分間遠心分離し、大きな粒子を除去した。得られた分散グラフェンナノプレートレットを数回よく洗浄し、界面活性剤を除去した。最後に、60℃で真空乾燥した。

得られたグラフェンナノシートの高分解能透過電子顕微鏡像
超音波アシスト水相分散とハマー法を介して。
(研究・図版：Ghanem and Rehim, 2018）

グラフェンシートとナノプレートレットの違いは？

グラフェンシートとグラフェンナノプレートレットは、いずれも炭素原子が六角形格子に配列した単層グラフェンからなるナノ材料である。グラフェンシートとグラフェンナノプレートレットは同じ用語として使われることもある。しかし、科学的には、これらのグラフェンナノマテリアルにはいくつかの違いがある：グラフェンシートとグラフェンナノプレートレットの主な違いは、その構造と厚さにある。グラフェンシートとグラフェンナノプレートレットの主な違いは、その構造と厚さにある。グラフェンシートは炭素原子の単層で構成され、非常に薄いが、グラフェンナノプレートレットは厚く、複数のグラフェン層が積層されている。このような構造の違いは、特性や特定の用途への適合性に影響を与える可能性がある。プローブ型ソニケーターを用いることで、単層グラフェンシートや数層積層グラフェンナノプレートレットを合成、分散、機能化することができる。

ソニケーターUP100Hを用いたグラフェンナノプレートレットの超音波合成を可視化したグラフィック
(研究・図版：Ghanem and Rehim, 2018）

超音波によるグラフェンナノプレートレットの分散

グラフェンナノプレートレット（GNP）の均一な分散は、得られる材料や製品の特性や性能に直接影響するため、さまざまな用途において極めて重要である。そのため、さまざまな産業でグラフェン・ナノプレートレットの分散用に超音波発生装置が設置されている。以下の産業は、パワー超音波を使用した顕著な例である：
 

• ナノ複合材料： グラフェンナノプレートレットは、ポリマーなどの様々なナノ複合材料に組み込むことで、その機械的、電気的、熱的特性を向上させることができる。プローブ型ソニケーターは、ポリマーマトリックス内にナノプレートレットを均一に分散させるのに役立ち、その結果、材料の性能が向上する。
• 電極とバッテリー： グラフェンナノプレートレットは、電池やスーパーキャパシタ用の高性能電極の開発に使用されている。ソニケーションは、表面積を増大させ、エネルギー貯蔵能力を向上させる、よく分散したグラフェンベースの電極材料の作製に役立つ。
• 触媒作用： グラフェンナノプレートレットをベースとした触媒材料の調製には、超音波処理を用いることができる。グラフェン表面に触媒ナノ粒子を均一に分散させることで、さまざまな反応における触媒活性を高めることができる。
• センサー： グラフェンナノプレートレットは、ガスセンシング、バイオセンシング、環境モニタリングなど、さまざまな用途のセンサーの製造に利用できる。ソニケーションは、センサー材料におけるナノプレートレットの均一な分布を保証し、感度と性能の向上につながる。
• コーティングとフィルム エレクトロニクス、航空宇宙、保護膜などの用途で使用されるグラフェンナノプレートをベースとしたコーティングやフィルムの作製には、プローブタイプのソニケーターが使用される。これらの用途では、均一な分散と基板への適切な接着が重要です。
• 生物医学的応用： バイオメディカル用途では、グラフェンナノプレートレットをドラッグデリバリー、イメージング、組織工学に用いることができる。ソニケーションは、このような用途に使用されるグラフェンベースのナノ粒子や複合体の調製に役立つ。

(b)X3000および(c)X8000におけるグラフェンナノプレートレットのSEM像。
(研究・画像：©Alizadeh et al.）

超音波グラフェンナノプレートレット分散の科学的実証結果

科学者たちは、グラフェン・ナノプレートレットの合成と分散にヒールシャー社のソニケーターを使用し、数多くの研究を行い、超音波処理の効果を精力的に検証してきました。以下に、グラフェン・ナノプレートレットを水性スラリー、エポキシ樹脂、モルタルなどの様々な混合物にうまく混合した例をいくつかご紹介します。
 
グラフェンナノプレートレットを確実かつ迅速に均一に分散させるための一般的な手順は以下の通りである：
分散には、グラフェンシートの凝集を防ぐため、Hielscher社製の超音波ミキサーUP400Sを用いて、グラフェンナノプレートレットを純アセトン中で約1時間超音波処理した。アセトンは蒸発させて完全に除去した。次に、グラフェンナノプレートレットをエポキシ樹脂に対して1wt%添加し、90Wで15分間超音波処理を行った。
(参照：Cakir et al.）
 
別の研究では、グラフェンナノプレートレットを添加してイオン液体ベースのナノ流体（イオナノ流体）を強化することを検討している。優れた分散性を得るため、グラフェンナノプレートレット、イオン液体、ドデシルベンゼンスルホン酸ナトリウムの混合物を、Hielscher社のプローブ型ソニケーターUP200Sを用いて約90分間ホモジナイズした。
(Alizadehら、2018参照）。

 
Tragazikisら（2019）は、グラフェンナノプレートレットをモルタルに効果的に組み込むことを報告している。そのため、水性グラフェン懸濁液は、通常の水道水と可塑剤の混合液にナノプレートレット（得られる材料中の望ましい目標含有量に内接する重量）を添加し、その後2分間磁気攪拌することによって製造した。懸濁液は、室温で90分間、超音波処理によって均質化された。Hielscher UP400S 装置（Hielscher Ultrasonics GmbH）は、周波数24 kHzで4500 J/分の出力を供給する22 mm-ソノトロードを装備している。エネルギーレートと超音波処理時間の特定の組み合わせは、懸濁液の品質に及ぼす超音波処理パラメーターの影響を綿密に調査した結果、最適なものとして確立された。
(トラガジキスら、2019参照）。
 
Zainalら（2018）はその研究の中で、超音波処理などの適切な分散技術により、グラフェンナノプラットレットなどのナノ材料がインフィル材料の特性を確実に向上させることができると述べている。これは、分散がエポキシグラウトのような高品質のナノコンポジットの製造にとって最も重要な要因の1つであるという事実によるものである。

グラフェンナノプレートレット加工用高性能ソニケーター

Hielscher Ultrasonics社は、ナノ材料加工用の高性能超音波処理装置のマーケットリーダーです。Hielscher社のプローブ型超音波振動子は、グラフェンナノプレートレットの加工を含む様々な用途で、世界中の研究所や産業現場で使用されています。
最先端の技術、ドイツの職人技とエンジニアリング、そして長年の技術経験により、Hielscher Ultrasonicsは超音波アプリケーションを成功に導くパートナーとして選ばれています。

デザイン、製造、コンサルティング – 品質 ドイツ製

Hielscher社の超音波装置は、その最高の品質と設計基準でよく知られています。頑丈で操作が簡単なため、産業設備にスムーズに組み込むことができます。過酷な条件や厳しい環境でも、Hielscherの超音波装置は容易に対応できます。

Hielscher Ultrasonics社は、ISO認証取得企業であり、最先端の技術と使いやすさを特徴とする高性能超音波振動子に特に重点を置いています。もちろん、Hielscherの超音波装置はCEに準拠しており、UL、CSA、RoHsの要件を満たしています。

下の表は、超音波処理装置の処理能力の目安です：