ზონდური ულტრაბგერითი დამუშავებით სინთეზირებული და დისპერგირებული გრაფენის ნანოფირფიტები

გრაფენის ნანოპლაკინები (GNPs) შეიძლება სინთეზდეს და დისპერგირდეს მაღალი ეფექტურობითა და საიმედოობით სონიკატორების გამოყენებით. მაღალი ინტენსივობის ულტრაბგერითი დამუშავება გამოიყენება გრაფიტის ექსფოლიაციისთვის და რამდენიმეფენიანი გრაფენის მისაღებად, რომელსაც ხშირად გრაფენის ნანოპლაკინებს უწოდებენ. ულტრაბგერითი დამუშავება ასევე უზრუნველყოფს გრაფენის ნანოპლაკინების შესანიშნავ განაწილებას როგორც დაბალი, ისე მაღალი სიბლანტის მქონე სუსპენზიებში.

გრაფენის ნანოპლაკინების დამუშავება – უმაღლესი შედეგები ულტრაბგერითი დამუშავებით

გრაფენის ნანოპლაკინების დამუშავებისთვის, პრობ-ტიპის ულტრაბგერითი დამუშავების აპარატები არის ყველაზე ეფექტური, სანდო და მარტივად გამოსაყენებელი ინსტრუმენტი. რადგან ულტრაბგერითი დამუშავება შეიძლება გამოყენებულ იქნას გრაფენის ნანოპლაკინების სინთეზის, დისპერგიისა და ფუნქციონალიზაციისთვის, ულტრაბგერითი დამუშავების აპარატები გამოიყენება მრავალრიცხოვან გრაფენთან დაკავშირებულ დანიშნულებებში:

• ექსფოლიაცია და სინთეზი ზონდური ტიპის სონიკატორები გამოიყენება გრაფიტის ექსფოლიაციით რამდენიმეფენიანი გრაფენის ან გრაფენის ნანოპლაკინების მისაღებად. მაღალი ინტენსივობის ულტრაბგერითი დამუშავება გადალახავს ფენებს შორის მოქმედ ძალებს და შლის გრაფიტს გრაფენის უფრო მცირე, ცალკეულ ფურცლებად.
• დისპერგია: გრაფენის ნანოპლაკინების ერთგვაროვანი დისპერგიის მიღება თხევად არეში კრიტიკულია ყველა გრაფენთან დაკავშირებული დანიშნულებისთვის. პრობ-ტიპის ულტრაბგერითი დამუშავების აპარატებს შეუძლიათ ნანოპლაკინების თანაბრად დისპერგირება მთელ სითხეში, რაც ხელს უშლის აგლომერაციას და უზრუნველყოფს სტაბილურ სუსპენზიას.
• ფუნქციონალიზაცია: ულტრაბგერითი დამუშავება ხელს უწყობს გრაფენის ნანოპლაკინების ფუნქციონალიზაციას მათ ზედაპირებზე ფუნქციური ჯგუფების ან მოლეკულების მიმაგრების ხელშეწყობით. ეს ფუნქციონალიზაცია ზრდის მათ თავსებადობას კონკრეტულ პოლიმერებთან ან მასალებთან.

გრაფენის ნანოპლაკინების სინთეზი ულტრაბგერითი დამუშავებით

გრაფენის ნანოპლაკინები შეიძლება სინთეზდეს ულტრაბგერითი დამუშავების დახმარებით გრაფიტის ექსფოლიაციის გზით. ამისთვის გრაფიტის სუსპენზიას ულტრაბგერით ამუშავებენ ზონდური ტიპის ულტრაბგერითი ჰომოგენიზატორის გამოყენებით. ეს პროცედურა გამოცდილია მყარი ნივთიერების როგორც ძალიან დაბალი (მაგ. 4wt% ან უფრო დაბალი), ისე მაღალი (მაგ. 10wt% ან უფრო მაღალი) კონცენტრაციების პირობებში.

Ghanem and Rehim (2018) აცნობებენ გრაფიტის ულტრაბგერით ექსფოლიაციას წყალში ნატრიუმის დოდეცილბენზოლსულფონატის (SDS) დახმარებით, რათა მოამზადონ დისპერგირებული გრაფენის ნანოპლაკინები პრობ-ტიპის ულტრაბგერითი დამუშავების აპარატის UP 100H გამოყენებით, რაც საშუალებას მოგვცა წარმატებით მომზადებულიყო დეფექტების გარეშე მრავალფენიანი გრაფენი (>5). გამოიყენებოდა შემდეგი წინამორბედი: აღდგენილი გრაფენის ნანოფურცლები მომზადდა Hummer-ის მეთოდით და დამუშავდა ორი დამატებითი ეტაპით, გრაფიტის ჟანგვა, რომელსაც მოჰყვა გრაფენის ოქსიდის აღდგენა. ამ გზით, დისპერგირებული გრაფენის ნანოპლაკინები მიღებულ იქნა წყალში გამხსნელის დისპერგიის მეთოდით (იხ. ქვემოთ სქემა). გრაფიტის ფენები ექსფოლიირდა ულტრაბგერითი დამუშავებით პრობ-ტიპის ულტრაბგერითი დამუშავების აპარატის UP100H (100 W) გამოყენებით. 0,25 g SDS გახსნილ იქნა 150 mL დეიონიზებულ წყალში და შემდეგ დაემატა 0,5 g გრაფიტი. გრაფიტის ხსნარი ულტრაბგერით დამუშავდა 12h ყინულის აბაზანაში და შემდეგ სუსპენზიის ხსნარი ცენტრიფუგირდა 686× g-ზე 30 min დიდი ნაწილაკების მოსაშორებლად. ნალექი გადაყრილ იქნა და ზედა ფენა ხელახლა ცენტრიფუგირდა 90 min 12 600× g-ზე. მიღებული დისპერგირებული გრაფენის ნანოპლაკინები კარგად გაირეცხა რამდენჯერმე სურფაქტანტის მოსაშორებლად. საბოლოოდ, პროდუქტი გაშრეცა 60ºC-ზე ვაკუუმში.

გრაფენის ნანოფურცლების მაღალი გარჩევადობის ტრანსმისიული ელექტრონული მიკროსკოპით მიღებული გამოსახულებები; ნანოფურცლები მიღებულია
ულტრაბგერითი დახმარებით წყლის ფაზის დისპერგიისა და Hummer-ის მეთოდის მეშვეობით.
(კვლევა და გრაფიკა: Ghanem and Rehim, 2018)

რა განსხვავებაა გრაფენის ფურცლებსა და ნანოპლაკინებს შორის?

გრაფენის ფურცლები და გრაფენის ნანოპლაკინები ორივე ნანომასალაა, რომლებიც შედგება გრაფენისგან – ჰექსაგონალურ მესერში განლაგებული ნახშირბადის ატომების ერთი ფენისგან. ზოგჯერ გრაფენის ფურცლები და გრაფენის ნანოპლაკინები ურთიერთჩანაცვლებად ტერმინებად გამოიყენება. თუმცა სამეცნიერო თვალსაზრისით ამ გრაფენის ნანომასალებს შორის რამდენიმე განსხვავებაა: მთავარი განსხვავება გრაფენის ფურცლებსა და გრაფენის ნანოპლაკინებს შორის მათ სტრუქტურასა და სისქეშია. გრაფენის ფურცლები შედგება ნახშირბადის ატომების ერთი ფენისგან და უკიდურესად თხელია, ხოლო გრაფენის ნანოპლაკინები უფრო სქელია და შედგება ერთმანეთზე დაწყობილი გრაფენის მრავალი ფენისგან. ამ სტრუქტურულმა განსხვავებებმა შეიძლება გავლენა იქონიოს მათ თვისებებსა და კონკრეტული გამოყენებისთვის ვარგისიანობაზე. ზონდური ტიპის სონიკატორების გამოყენება მეტად ეფექტური და პროდუქტიული მეთოდია როგორც გრაფენის ერთფენიანი ფურცლების, ისე ერთმანეთზე დაწყობილი რამდენიმე ფენისგან შემდგარი გრაფენის ნანოპლაკინების სინთეზის, დისპერგირებისა და ფუნქციონალიზაციისთვის.

გრაფიკა, რომელიც ვიზუალიზებს გრაფენის ნანოპლაკინების ულტრაბგერით სინთეზს UP100H სონიკატორის გამოყენებით
(კვლევა და გრაფიკა: Ghanem and Rehim, 2018)

გრაფენის ნანოპლაკინების დისპერგია ულტრაბგერითი დამუშავების გამოყენებით

გრაფენის ნანოპლაკინების (GNPs) ერთგვაროვანი დისპერგია კრიტიკულია სხვადასხვა გამოყენებისთვის, რადგან ის პირდაპირ გავლენას ახდენს მიღებული მასალების ან პროდუქტების თვისებებზე და წარმადობაზე. ამიტომ, სონიკატორები ინსტალირდება გრაფენის ნანოპლაკინების დისპერგიებისთვის სხვადასხვა ინდუსტრიებში. შემდეგი ინდუსტრიები არის მაღალი სიმძლავრის ულტრაბგერის გამოყენების მნიშვნელოვანი მაგალითები:
 

• ნანოკომპოზიტები: გრაფენის ნანოპლაკინები შეიძლება ჩაისვას სხვადასხვა ნანოკომპოზიტურ მასალებში, როგორიცაა პოლიმერები, მათი მექანიკური, ელექტრული და თერმული თვისებების გასაუმჯობესებლად. პრობის ტიპის სონიკატორები ხელს უწყობენ ნანოპლაკინების ერთგვაროვან დისპერგიას პოლიმერულ მატრიცაში, რაც იწვევს მასალის წარმადობის გაუმჯობესებას.
• ელექტროდები და ბატარეები: გრაფენის ნანოპლაკინები გამოიყენება ბატარეებისა და სუპერკონდენსატორებისთვის მაღალი წარმადობის ელექტროდების შექმნაში. ულტრაბგერითი დამუშავება ხელს უწყობს კარგად დისპერგირებული გრაფენზე დაფუძნებული ელექტროდული მასალების შექმნას გაზრდილი ზედაპირის ფართობით, რაც აუმჯობესებს ენერგიის შენახვის შესაძლებლობებს.
• კატალიზი: ულტრაბგერითი დამუშავება შეიძლება გამოიყენებოდეს გრაფენის ნანოპლაკინებზე დაფუძნებული კატალიზური მასალების მოსამზადებლად. კატალიზური ნანონაწილაკების ერთგვაროვანი დისპერგია გრაფენის ზედაპირზე შეიძლება გააუმჯობესოს კატალიზური აქტივობა სხვადასხვა რეაქციებში.
• სენსორები: გრაფენის ნანოპლაკინები შეიძლება გამოიყენებოდეს სენსორების დამზადებაში სხვადასხვა გამოყენებისთვის, მათ შორის გაზის სენსორების, ბიოსენსორების და გარემოს მონიტორინგისთვის. ულტრაბგერითი დამუშავება უზრუნველყოფს ნანოპლაკინების ჰომოგენურ განაწილებას სენსორულ მასალებში, რაც იწვევს მგრძნობელობისა და წარმადობის გაუმჯობესებას.
• საფარები და ფირები: პრობის ტიპის სონიკატორები გამოიყენება გრაფენის ნანოპლაკინებზე დაფუძნებული საფარებისა და ფირების მოსამზადებლად ელექტრონიკის, აეროკოსმოსის და დამცავი საფარების გამოყენებისთვის. ერთგვაროვანი დისპერგია და სუბსტრატებთან სწორი ადჰეზია კრიტიკულია ამ გამოყენებებისთვის.
• ბიომედიცინური გამოყენებები: ბიომედიცინურ გამოყენებებში, გრაფენის ნანოპლაკინები შეიძლება გამოიყენებოდეს წამლის მიწოდებისთვის, ვიზუალიზაციისთვის და ქსოვილოვანი ინჟინერიისთვის. ულტრაბგერითი დამუშავება ხელს უწყობს გრაფენზე დაფუძნებული ნანონაწილაკებისა და კომპოზიტების მომზადებას, რომლებიც გამოიყენება ამ გამოყენებებში.

გრაფენის ნანოპლაკინების SEM სურათები (b) X3000 და (c) X8000 მასშტაბით
(კვლევა და სურათები: ©Alizadeh et al., 2018)

მეცნიერებით დამტკიცებული შედეგები ულტრაბგერითი გრაფენის ნანოპლაკინების დისპერგიებისთვის

მეცნიერებმა მრავალ კვლევაში გამოიყენეს Hielscher-ის სონიკატორები გრაფენის ნანოპლაკინების სინთეზისა და დისპერგირებისთვის და საფუძვლიანად შეამოწმეს ულტრაბგერითი დამუშავების ეფექტები. ქვემოთ მოცემულია გრაფენის ნანოპლაკინების სხვადასხვა ნარევში, მაგალითად, წყლიან სუსპენზიებში, ეპოქსიდურ ფისებსა თუ სამშენებლო დუღაბში წარმატებით შერევის რამდენიმე მაგალითი.

გრაფენის ნანოპლაკინების საიმედო, სწრაფი და ერთგვაროვანი დისპერსიისთვის საერთო პროცედურა შემდეგია:
დისპერგირებისთვის გრაფენის ნანოპლაკინები დამუშავდა ულტრაბგერით სუფთა აცეტონში Hielscher-ის ულტრაბგერითი მიქსერის UP400S გამოყენებით თითქმის ერთი საათის განმავლობაში, რათა თავიდან აეცილებინათ გრაფენის ფურცლების აგლომერაცია. აცეტონი სრულად მოცილდა აორთქლებით. შემდეგ გრაფენის ნანოპლაკინები დაემატა ეპოქსიდურ სისტემას 1 wt % ოდენობით და დამუშავდა ულტრაბგერით ეპოქსიდურ ფისში 90W-ზე 15 წუთის განმავლობაში.
(იხ. Cakir et al., 2016)

სხვა კვლევა იკვლევს იონურ სითხეებზე დაფუძნებული ნანოსითხეების (იონანოსითხეების) გაძლიერებას გრაფენის ნანოპლაკინების დამატებით. უმაღლესი დისპერსიისთვის, გრაფენის ნანოპლაკინების, იონური სითხის და ნატრიუმის დოდეცილბენზოლსულფონატის ნარევი ჰომოგენიზირდა Hielscher-ის პრობის ტიპის სონიკატორის UP200S გამოყენებით დაახლოებით 90 წუთის განმავლობაში.
(იხ. Alizadeh et al., 2018)

Tragazikis et al. (2019) იუწყებიან გრაფენის ნანოფირფიტების სამშენებლო ხსნარში ეფექტურად შეტანის შესახებ. ამისათვის გრაფენის წყლიანი სუსპენზიები მოამზადეს ჩვეულებრივი ონკანის წყლისა და პლასტიფიკატორის ნარევებში ნანოფირფიტების დამატებით – იმ მასით, რომელიც შეესაბამებოდა საბოლოო მასალებში მათ სასურველ შემცველობას – და შემდგომი მაგნიტური მორევით 2 წუთის განმავლობაში. სუსპენზიები ჰომოგენიზირდა ულტრაბგერითი დამუშავებით 90 წუთის განმავლობაში ოთახის ტემპერატურაზე, Hielscher UP400S მოწყობილობის (Hielscher Ultrasonics GmbH) გამოყენებით, რომელიც აღჭურვილია 22mm-სონოტროდით და უზრუნველყოფს ენერგიის მიწოდებას 4500 J/min სიჩქარით, 24 kHz სიხშირეზე. ენერგიის მიწოდების სიჩქარისა და ულტრაბგერითი დამუშავების ხანგრძლივობის ეს კონკრეტული კომბინაცია ოპტიმალურად განისაზღვრა სუსპენზიის ხარისხზე ულტრაბგერითი დამუშავების პარამეტრების გავლენის დეტალური კვლევის შედეგად.
(იხ. Tragazikis et al., 2019)

Zainal et al. (2018) თავიანთ კვლევაში აცხადებენ, რომ დისპერგირების სათანადო მეთოდი, როგორიცაა ულტრაბგერითი დამუშავება, უზრუნველყოფს, რომ ნანომასალებმა, როგორიცაა გრაფენის ნანოფირფიტები, შეძლონ შემავსებელი მასალების თვისებების გაუმჯობესება. ეს განპირობებულია იმით, რომ დისპერგირება ერთ-ერთი ყველაზე მნიშვნელოვანი ფაქტორია მაღალი ხარისხის ნანოკომპოზიტების, როგორიცაა ეპოქსიდური საინექციო ხსნარი, წარმოებისთვის.

მაღალი ეფექტურობის სონიკატორები გრაფენის ნანოფირფიტების დამუშავებისთვის

Hielscher Ultrasonics არის ბაზრის ლიდერი ნანომასალების დასამუშავებელი მაღალი ეფექტურობის ულტრაბგერითი მოწყობილობების სფეროში. Hielscher-ის ზონდური ტიპის სონიკატორები მსოფლიოს მასშტაბით გამოიყენება ლაბორატორიებსა და სამრეწველო პირობებში სხვადასხვა დანიშნულებისთვის, მათ შორის გრაფენის ნანოფირფიტების დამუშავებისთვის.
თანამედროვე ტექნოლოგია, გერმანული ოსტატობა და ინჟინერია, ასევე მრავალწლიანი ტექნიკური გამოცდილება აქცევს Hielscher Ultrasonics-ს თქვენს სასურველ პარტნიორად ულტრაბგერითი ტექნოლოგიის წარმატებული გამოყენებისთვის.

პროექტირება, წარმოება და კონსულტირება – გერმანიაში შექმნილი ხარისხი

Hielscher-ის ულტრაბგერითი მოწყობილობები ცნობილია თავისი უმაღლესი ხარისხისა და დიზაინის სტანდარტებით. მდგრადობა და მარტივი ექსპლუატაცია საშუალებას გვაძლევს, ჩვენი ულტრაბგერითი მოწყობილობები მარტივად ინტეგრირდეს სამრეწველო ობიექტებში. Hielscher-ის ულტრაბგერითი მოწყობილობები მარტივად უმკლავდებიან მკაცრ პირობებსა და რთულ გარემოს.

Hielscher Ultrasonics არის ISO სერტიფიცირებული კომპანია, რომელიც განსაკუთრებულ მნიშვნელობას ანიჭებს მაღალი წარმადობის ულტრაბგერით მოწყობილობებს, რომლებიც გამოირჩევიან თანამედროვე ტექნოლოგიითა და მოხმარების სიმარტივით. რა თქმა უნდა, Hielscher-ის ულტრაბგერითი მოწყობილობები შეესაბამება CE სტანდარტს და აკმაყოფილებენ UL, CSA და RoHs მოთხოვნებს.

ქვემოთ მოცემული ცხრილი გაძლევთ წარმოდგენას ჩვენი ულტრაბგერითი მოწყობილობების დაახლოებითი დამუშავების შესაძლებლობებზე: