ゼネスの超音波剥離

Xenesは、非常に高い表面積、優れた導電性や引張強度を含む異方的な物理的／化学的特性など、驚異的な特性を持つ2次元の単元素ナノ材料である。超音波剥離または層間剥離は、層状前駆材料から単層の2Dナノシートを製造する効率的で信頼性の高い技術である。超音波剥離は、工業的規模での高品質なキセンズナノシートの製造において既に確立されている。

ゼネス – 単層ナノ構造

キセンは単層（2D）の単元素ナノ材料で、グラフェンのような構造、層内共有結合、層間の弱いファンデルワールス力を特徴とする。キセンクラスに属する材料の例としては、ボロフェン、シリセン、ゲルマン、スタネン、ホスホレン（黒リン）、アルセネン、ビスムテン、テルレン、アンチモンなどがある。単層二次元構造により、キセン・ナノマテリアルは非常に大きな表面積と、向上した化学的・物理的反応性を特徴とする。この構造特性により、キセン・ナノマテリアルは、光、触媒、磁性、電子の面で優れた特性を示し、多くの産業応用が期待されている。左の写真は、超音波剥離したボロフェンのSEM像。

超音波剥離法によるゼネスナノ材料の製造

層状ナノ材料の液体剥離： 単層2Dナノシートは、疎に積層されたホスト層からなる層状構造を有する無機材料（例えば、グラファイト）から製造され、特定のイオンや溶媒のインターカレーションにより、層間ギャラリーの膨張や膨潤を示す。層状相がナノシートに切断される剥離は、典型的には、個々の2次元層またはシートのコロイド状分散物を生成する層間の静電引力が急速に弱まるために、膨潤を伴う。(Geng et al, 2013参照）一般に、膨潤は超音波処理による剥離を促進し、負に帯電したナノシートをもたらすことが知られている。化学的前処理も、溶媒中での超音波処理による剥離を促進する。例えば、官能基化によって、アルコール中での層状複水酸化物（LDH）の剥離が可能になる。(Nicolosiら、2013参照）。
超音波剥離／層間剥離のために、層状材料は溶媒中で強力な超音波にさらされる。エネルギー密度の高い超音波が液体やスラリーに結合されると、音響キャビテーションと呼ばれる超音波キャビテーションが発生する。超音波キャビテーションは、真空気泡の崩壊によって特徴付けられる。超音波は液体中を伝わり、低圧と高圧のサイクルを交互に発生させる。微小な真空気泡は低圧（レアファクション）サイクルの間に発生し、様々な低圧／高圧サイクルの間に成長する。キャビテーション気泡がそれ以上エネルギーを吸収できないポイントに達すると、気泡は激しく破裂し、局所的に非常にエネルギー密度の高い状態を作り出す。キャビテーションのホットスポットは、非常に高い圧力と温度、それぞれの圧力と温度差、高速液体ジェット、せん断力によって決定される。これらのソノメカニカルな力とソノケミカルな力により、積層された層の間に溶媒が押し込まれ、積層された粒子構造や結晶構造が破壊され、剥離したナノシートが生成されます。下の一連の画像は、超音波キャビテーションによる剥離プロセスを示しています。

を用いた水中でのグラファイト薄片の超音波機械的剥離を示すフレームの高速シーケンス（aからf）。 200W 超音波発生器 UP200S 3mmソノトロードを使用。矢印はキャビテーション気泡が貫通し、分裂（剥離）している箇所を示す。
© Tyurnina et al. 2020 (CC BY-NC-ND 4.0)

モデリングにより、溶媒の表面エネルギーが層状物質の表面エネルギーと同程度であれば、剥離状態と再凝集状態のエネルギー差は非常に小さくなり、再凝集の駆動力がなくなることが示された。他の攪拌法やせん断法と比較した場合、超音波攪拌機は剥離により効果的なエネルギー源を提供し、イオンインターカレーションによるTaS₂NbS₂およびMoS₂層状酸化物と同様である。 (Nicolosiら、2013参照）。

A）N-メチル-ピロリドン溶媒中で超音波処理により剥離したグラフェンナノシート。(B）イソプロパノール中で超音波処理により剥離したh-BNナノシート。(C）界面活性剤水溶液中で超音波処理により剥離したMoS2ナノシート。
(研究および写真：©Nicolosi et al.）

超音波液体剥離プロトコル

キセンをはじめとする単層ナノ材料の超音波による剥離・層間剥離は、研究において幅広く研究されており、工業生産段階への移行にも成功している。以下に、超音波を用いた剥離プロトコルをご紹介します。

フォスフォレンナノフレークの超音波剥離

ホスホレン（黒リン、BPとも呼ばれる）は、リン原子から形成される2次元層状の単元素物質である。
Passagliaら（2018）の研究では、MMAの存在下でのbPの超音波アシスト液相剥離（LPE）によるホスホレン-メタクリル酸メチルの安定懸濁液の調製と、それに続くラジカル重合が実証されている。メチルメタクリレート（MMA）は液体モノマーである。

ホスホレンの超音波液体剥離プロトコール

MMA_bPn、NVP_bPn、Sty_bPn懸濁液は、単独モノマー存在下、LPEによって得られた。典型的な手順では、乳鉢で注意深く粉砕した約5mgのbPを試験管に入れ、重量量のMMA、Sty、またはNVPを加えた。モノマーbP懸濁液を、ソノトロードS26d2（先端直径2mm）を備えたHielscher Ultrasonics社製ホモジナイザーUP200St（200W、26kHz）を用いて90分間超音波処理した。超音波振幅は、P = 7 Wで50%に一定に保った。すべての場合において、熱放散を改善するために氷浴を使用した。最終的なMMA_bPn、NVP_bPn、およびSty_bPn懸濁液を、次にN2で15分間気腹した。すべての懸濁液をDLSで分析したところ、DMSO_bPnのrH値に実に近い値を示した。例えば、MMA_bPn懸濁液（bP含量約1%）のrHは512±58 nmであった。
フォスフォレインに関する他の科学的研究では、超音波洗浄器、高沸点溶媒を用いた超音波処理に数時間かかり、効率は低いと報告されているが、Passagliaの研究チームは、プローブタイプの超音波発生器（すなわち、超音波洗浄器）を用いた非常に効率的な超音波剥離プロトコルを実証している。 Hielscher社製超音波発生装置 モデルUP200St).

単層ナノシートの超音波剥離

ボロフェンと酸化ルテニウムナノシートの具体的な詳細と剥離プロトコルを読むには、以下のリンクをたどってください：
ボロフェン 超音波によるボロフェン剥離のプロトコールと結果については、こちらをご覧ください！
RuO2： 超音波による酸化ルテニウムナノシート剥離のプロトコールと結果については、こちらをクリックしてください！

数層シリカナノシートの超音波剥離

天然バーミキュライト（Verm）から超音波剥離法により数層剥離シリカナノシートを作製した。剥離シリカナノシートの合成には、以下の液相剥離法を適用した：40mgのシリカナノシートを40mLの絶対エタノールに分散させた。40mgのシリカナノシートを40mLの絶対エタノールに分散させた後、7mmのソノトロードを備えたHielscher社製超音波処理装置UP200Stを用いて、混合物を2時間超音波処理した。超音波の振幅は70%で一定に保った。過熱を避けるために氷浴を適用した。剥離しなかったSNは、1000rpmで10分間遠心分離して除去した。最後に、生成物をデカントし、真空下、室温で一晩乾燥させた。(cf. Guo et al., 2022)

Xenesナノシートの剥離のための高出力超音波プローブとリアクター

Hielscher Ultrasonics社は、あらゆるサイズの堅牢で信頼性の高い超音波装置を設計、製造、販売しています。コンパクトなラボ用超音波装置から工業用超音波プローブやリアクターまで、Hielscher社はお客様のプロセスに理想的な超音波システムをご用意しています。ナノ材料の合成や分散などのアプリケーションで長年の経験を持つ弊社の熟練したスタッフが、お客様のご要望に最適なセットアップをご提案いたします。Hielscher 工業用超音波プロセッサーは、工業施設における信頼性の高い作業馬として知られています。非常に高い振幅を供給することができるHielscherの超音波処理装置は、キセンや、ボロフェン、ホスホレン、グラフェンなどの2次元単層ナノ材料の合成や、これらのナノ構造の信頼性の高い分散などの高性能アプリケーションに最適です。
非常に強力な超音波： Hielscher Ultrasonics’ 工業用超音波プロセッサは、非常に高い振幅を提供することができます。最大200µmの振幅は、24時間365日の連続稼働が容易です。さらに高い振幅を得るには、カスタマイズされた超音波ソノトロードが利用可能です。
最高品質 – ドイツ製： すべての装置はドイツの本社で設計・製造されています。お客様にお届けする前に、すべての超音波装置は全荷重下で入念にテストされます。私たちはお客様の満足のために努力し、私たちの生産は最高の品質保証（ISO認証など）を満たすように構成されています。

下の表は、超音波処理装置の処理能力の目安です：