単層カーボンナノチューブの個別分散方法
単層カーボンナノチューブ（SWNTまたはSWCNT）はユニークな特性を持っているが、それを表現するためには、個々に分散させる必要がある。単層カーボンナノチューブの卓越した特性を最大限に活かすには、チューブを最も完全に剥離する必要がある。他のナノ粒子と同様にSWNTも非常に高い吸引力を示すため、信頼性の高い凝集解除と分散のためには強力で効率的な技術が必要となる。一般的な混合技術では、SWNTを損傷させることなく脱凝集させるのに必要な強度は得られないが、ハイパワー超音波はSWCNTを脱凝集・分散させることが証明されている。超音波によって発生するキャビテーショナルなせん断力は、結合力に打ち勝つのに十分なほど強力であり、一方、超音波の強度は、SWCNTの損傷を避けるために正確に調整することができる。
問題だ：
単層カーボンナノチューブ（SWCNTs）は、多層カーボンナノチューブ（MWNTs/ MWCNTs）とは電気的性質が異なる。SWCNT のバンドギャップはゼロから 2 eV の範囲で変化し、その電気伝導性は金属的または半導体的な挙動を示す。単層カーボンナノチューブは凝集性が高いため、有機溶媒や水に溶けにくいという性質が、SWCNTを加工する際の大きな障害となっています。SWCNTの潜在能力をフルに活用するためには、シンプルで信頼性が高く、スケーラブルなチューブの脱凝集プロセスが必要である。特に、SWCNTs と有機溶媒の間に適切な界面を形成するために、CNT の側壁や開口端を官能基化すると、SWCNTs の部分的な剥離にとどまる。従って、SWCNTs は、個々の脱凝集ロープではなく、束として分散されることがほとんどである。分散時の条件が厳しすぎると、SWCNTは80～200nmの長さまで短くなってしまう。大半の実用的な用途、すなわち半導体や補強用の SWCNT では、この長さは小さすぎる。
UIP2000hdTSWCNTを分散させるために、2kWの強力な超音波発生器を使用する。
解決策
超音波照射は、高強度の超音波が液体中にキャビテーションを発生させるため、カーボンナノチューブの分散・脱凝集に非常に効果的な方法である。液体媒体中を伝播する音波は、周波数に依存した速度で、高圧（圧縮）と低圧（希薄化）のサイクルを交互に発生させる。低圧サイクルの間、高強度の超音波が液体中に小さな真空の気泡や空隙を作る。気泡がエネルギーを吸収できない体積に達すると、高圧サイクルの間に激しく崩壊する。この現象はキャビテーションと呼ばれる。爆縮の間、局所的に非常に高い温度（約5,000K）と圧力（約2,000気圧）に達する。キャビテーション気泡の爆縮により、最大速度280m/sの液体ジェットも発生します。これらの液体ジェットの流れは 超音波キャビテーションそのため、カーボンナノチューブ間の結合力に打ち勝つことができず、ナノチューブが凝集してしまう。マイルドで制御された超音波処理は、高い長さで分散したSWCNTの界面活性剤安定化懸濁液を作成するのに適した方法です。SWCNTsの制御された製造のために、Hielscher社の超音波プロセッサーは、広範囲の超音波パラメータセットで運転することができます。超音波振幅、液圧、液組成は、それぞれ特定の材料とプロセスに合わせて変えることができます。これにより、以下のような様々な調整が可能です。
- 最大170ミクロンのソノトロード振幅
- 最大10バールの液圧
- 最大15L/minの液体流量（プロセスによる）
- 液温80℃まで（その他の温度は要相談）
- 材料粘度100.000cpまで
超音波装置
ハイエルシャーは高性能を提供する 超音波加工機 あらゆる体積の超音波処理に対応します。50ワットから16,000ワットまでの超音波装置は、クラスターで設置することができ、研究室でも産業界でも、それぞれの用途に適した超音波を見つけることができます。ナノチューブの高度な分散には、連続超音波処理をお勧めします。Hielscher社のフローセルを使用すれば、ポリマー、高粘度メルト、熱可塑性プラスチックのような粘度の高い液体にCNTを分散させることが可能になります。
高出力超音波によるナノチューブの分散と改質についてはこちらをご覧ください！
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超音波分散したSWNTの顕微鏡イメージング。
ナノチューブの超音波分散 (UP400St)
Hielscher氏の実験装置によるCNTの分散 UP50H
高性能超音波!ヒールシャーの製品範囲は、コンパクトなラボ用超音波装置からベンチトップユニットまでの全スペクトルをカバーしています 卓上型超音波システム フルインダストリアル超音波システムまで。
文献・参考文献
- Cheng, Qiaohuan; Debnath, Sourabhi; Gregan, Elizabeth; Byrne, Hugh J. (2010): Ultrasound-Assisted SWNTs Dispersion: Effects of Sonication Parameters and Solvent Properties. The Journal of Physical Chemistry C, 114(19), 2010. 8821–8827.
- Tenent, Robert; Barnes, Teresa; Bergeson, Jeremy; Ferguson, Andrew; To, Bobby; Gedvilas, Lynn; Heben, Michael; Blackburn, Jeffrey (2009): Ultrasmooth, Large‐Area, High‐Uniformity, Conductive Transparent Single‐Walled‐Carbon‐Nanotube Films for Photovoltaics Produced by Ultrasonic Spraying. Advanced Materials. 21. 3210 – 3216.
- Brad W. Zeiger; Kenneth S. Suslick (2011): Sonofragmentation of Molecular Crystals. J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 37, 14530–14533.
- 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.
知っておくべき事実
超音波装置はしばしば、プローブソニケーター、超音波ホモジナイザー、ソニックライザー、超音波ディスラプター、超音波グラインダー、ソノラプター、ソニファイヤー、ソニックディスメンブレーター、セルディスラプター、超音波分散器またはディゾルバーと呼ばれる。異なる用語は、超音波処理によって実現可能な様々な用途に起因する。