ქსენების ულტრაბგერითი ექსფოლიაცია

ქსენები არის 2D ერთელემენტური ნანომასალები, რომლებსაც აქვთ განსაკუთრებული თვისებები, როგორიცაა ძალიან მაღალი ზედაპირის ფართობი, ანიზოტროპული ფიზიკური / ქიმიური თვისებები, მათ შორის უმაღლესი ელექტროგამტარობა ან გაჭიმვის სიმტკიცე. ულტრაბგერითი ექსფოლიაცია ან დელამინაცია არის ეფექტური და საიმედო ტექნიკა ერთფენიანი 2D ნანოფურცლების მისაღებად ფენოვანი წინამორბედი მასალებიდან. ულტრაბგერითი ექსფოლიაცია უკვე დამკვიდრებულია მაღალი ხარისხის ქსენების ნანოფურცლების წარმოებაში სამრეწველო მასშტაბით.

ქსენები – ერთფენიანი ნანოსტრუქტურები

ქსენები არის ერთფენიანი (2D), ერთელემენტური ნანომასალები, რომლებსაც აქვთ გრაფენის მსგავსი სტრუქტურა, ფენაში კოვალენტური ბმა და სუსტი ვან დერ ვაალსის ძალები ფენებს შორის. მასალების მაგალითები, რომლებიც ქსენების კლასის ნაწილია, არის ბოროფენი, სილიცენი, გერმანენი, სტანენი, ფოსფორენი (შავი ფოსფორი), არსენენი, ბისმუტენი, ტელურენი და ანტიმონენი. მათი ერთფენიანი 2D სტრუქტურის გამო, ქსენების ნანომასალები ხასიათდება ძალიან დიდი ზედაპირით, ასევე გაუმჯობესებული ქიმიური და ფიზიკური რეაქტიულობით. ეს სტრუქტურული მახასიათებლები ქსენების ნანომასალებს აძლევს შთამბეჭდავ ფოტონურ, კატალიზურ, მაგნიტურ და ელექტრონულ თვისებებს და ხდის ამ ნანოსტრუქტურებს ძალიან საინტერესოს მრავალი სამრეწველო გამოყენებისთვის. მარცხნივ გამოსახულია ულტრაბგერითი ექსფოლირებული ბოროფენის SEM სურათები.

ქსენების ნანომასალების წარმოება ულტრაბგერითი დელამინაციის გამოყენებით

ფენოვანი ნანომასალების სითხეში ექსფოლიაცია: ერთფენიანი 2D ნანოფურცლები მიიღება ფენოვანი სტრუქტურის მქონე არაორგანული მასალებიდან (მაგ., გრაფიტი), რომლებიც შედგება ერთმანეთზე ფაშარად დაწყობილი მასპინძელი ფენებისგან. გარკვეული იონების და/ან გამხსნელების ინტერკალაციისას ამ ფენებს შორის სივრცე ფართოვდება ან მასალა ჯირჯვდება. ექსფოლიაცია, რომლის დროსაც ფენოვანი ფაზა იყოფა ნანოფურცლებად, ჩვეულებრივ თან ახლავს გაჯირჯვებას ფენებს შორის ელექტროსტატიკური მიზიდულობის სწრაფი შესუსტების გამო, რაც იწვევს ცალკეული 2D ფენების ან ფურცლების კოლოიდური დისპერსიების წარმოქმნას. (იხ. Geng et al, 2013) ზოგადად ცნობილია, რომ გაჯირჯვება აადვილებს ექსფოლიაციას ულტრაბგერითი დამუშავების გზით და შედეგად მიიღება უარყოფითად დამუხტული ნანოფურცლები. ქიმიური წინასწარი დამუშავება ასევე აადვილებს ექსფოლიაციას გამხსნელებში ულტრაბგერითი დამუშავების საშუალებით. მაგალითად, ფუნქციონალიზაცია შესაძლებელს ხდის ფენოვანი ორმაგი ჰიდროქსიდების (LDHs) ექსფოლიაციას სპირტებში. (იხ. Nicolosi et al., 2013)
ულტრაბგერითი ექსფოლიაციის / დელამინაციისთვის ფენოვან მასალაზე გამხსნელში მძლავრი ულტრაბგერითი ტალღებით ზემოქმედებენ. როდესაც ენერგიის მაღალი სიმკვრივის მქონე ულტრაბგერითი ტალღები სითხეს ან სუსპენზიას გადაეცემა, წარმოიქმნება აკუსტიკური, ანუ ულტრაბგერითი კავიტაცია. ულტრაბგერითი კავიტაცია ხასიათდება ვაკუუმური ბუშტების კოლაფსით. ულტრაბგერითი ტალღები ვრცელდება სითხეში და ქმნის დაბალი წნევის / მაღალი წნევის მონაცვლე ციკლებს. უმცირესი ვაკუუმური ბუშტები წარმოიქმნება დაბალი წნევის (გაიშვიათების) ციკლის დროს და იზრდება დაბალი წნევის / მაღალი წნევის რამდენიმე ციკლის განმავლობაში. როდესაც კავიტაციური ბუშტი მიაღწევს მდგომარეობას, რომელშიც მეტი ენერგიის შთანთქმა აღარ შეუძლია, იგი მკვეთრად კოლაფსირდება და ლოკალურად ქმნის ენერგიის ძალიან მაღალი სიმკვრივის პირობებს. კავიტაციური ცხელი წერტილი ხასიათდება ძალიან მაღალი წნევითა და ტემპერატურით, წნევისა და ტემპერატურის შესაბამისი სხვაობებით, სითხის მაღალსიჩქარიანი ჭავლებითა და ძვრის ძალებით. ეს სონომექანიკური და სონოქიმიური ძალები გამხსნელს დაწყობილ ფენებს შორის უბიძგებს და შლის ფენოვან ნაწილაკოვან და კრისტალურ სტრუქტურებს, რითაც წარმოიქმნება ექსფოლირებული ნანოფურცლები. ქვემოთ მოცემული სურათების სერია აჩვენებს ექსფოლიაციის პროცესს ულტრაბგერითი კავიტაციის გზით.

მაღალსიჩქარიანი სერია (a-დან f-მდე) კადრებისა, რომლებიც აჩვენებენ გრაფიტის ფურცლის სონომექანიკურ ექსფოლიაციას წყალში UP200S, 200W ულტრაბგერითი ჰომოგენიზატორით 3-mm სონოტროდით. ისრები აჩვენებენ გაყოფის (ექსფოლიაციის) ადგილს, სადაც კავიტაციის ბუშტები შედიან გაყოფაში.
© Tyurnina et al. 2020 (CC BY-NC-ND 4.0)

მოდელირებამ აჩვენა, რომ თუ გამხსნელის ზედაპირული ენერგია ფენოვანი მასალის ზედაპირული ენერგიის მსგავსია, ენერგეტიკული სხვაობა ექსფოლირებულ და რეაგრეგირებულ მდგომარეობებს შორის ძალიან მცირე იქნება, რაც რეაგრეგაციის მამოძრავებელ ძალას აღმოფხვრის. არევისა და ძვრის ალტერნატიულ მეთოდებთან შედარებით, ულტრაბგერითი შემრევები ექსფოლიაციისთვის ენერგიის უფრო ეფექტური წყარო აღმოჩნდა, რამაც შესაძლებელი გახადა იონური ინტერკალაციის დახმარებით შემდეგი მასალების ექსფოლიაციის დემონსტრირება: TaS₂, NbS₂, და MoS₂, ასევე ფენოვანი ოქსიდები. (იხ. Nicolosi et al., 2013)

სითხეში ულტრაბგერითი ექსფოლიაციით მიღებული ნანოფურცლების TEM სურათები: (A) გრაფენის ნანოფურცელი, რომელიც ექსფოლირებულია ულტრაბგერითი დამუშავებით გამხსნელ N-მეთილ-პიროლიდონში. (B) h-BN ნანოფურცელი, რომელიც ექსფოლირებულია ულტრაბგერითი დამუშავებით გამხსნელ იზოპროპანოლში. (C) MoS2 ნანოფურცელი, რომელიც ექსფოლირებულია ულტრაბგერითი დამუშავებით ზედაპირულად აქტიური ნივთიერების წყალხსნარში.
(კვლევა და სურათები: ©Nicolosi et al., 2013)

სითხეში ულტრაბგერითი ექსფოლიაციის პროტოკოლები

ქსენებისა და სხვა მონოშრიანი ნანომასალების ულტრაბგერითი ექსფოლიაცია და დელამინაცია ფართოდ არის შესწავლილი კვლევით სფეროში და წარმატებით იქნა გადატანილი ინდუსტრიული წარმოების ეტაპზე. ქვემოთ წარმოგიდგენთ ულტრაბგერითი დამუშავების გამოყენებით შერჩეულ ექსფოლიაციის პროტოკოლებს.

ფოსფორენის ნანოფურცლების ულტრაბგერითი ექსფოლიაცია

ფოსფორენი (ასევე ცნობილი როგორც შავი ფოსფორი, BP) არის 2D მრავალშრიანი, მონოელემენტური მასალა, რომელიც შედგება ფოსფორის ატომებისგან.
Passaglia et al. (2018)-ის კვლევაში დემონსტრირებულია ფოსფორენ − მეთილმეტაკრილატის სტაბილური სუსპენზიების მომზადება bP-ის ულტრაბგერითი დამუშავებით დახმარებული სითხეში ექსფოლიაციის (LPE) გზით MMA-ს არსებობისას, რასაც მოსდევს რადიკალური პოლიმერიზაცია. მეთილმეტაკრილატი (MMA) არის თხევადი მონომერი.

ფოსფორენის სითხეში ულტრაბგერითი ექსფოლიაციის პროტოკოლი

MMA_bPn, NVP_bPn და Sty_bPn სუსპენზიები მიიღეს LPE-ს გზით, მხოლოდ მონომერის თანაობისას. ტიპურ პროცედურაში როდინში ფრთხილად დაქუცმაცებული ∼5 mg bP მოათავსეს სინჯარაში და შემდეგ დაამატეს აწონილი რაოდენობის MMA, Sty ან NVP. მონომერში bP-ის სუსპენზია ულტრაბგერით დაამუშავეს 90 min-ის განმავლობაში Hielscher Ultrasonics-ის ჰომოგენიზატორით UP200St (200W, 26kHz), რომელიც აღჭურვილი იყო სონოტროდით S26d2 (წვერის დიამეტრი: 2 mm). ულტრაბგერის ამპლიტუდა მუდმივად შენარჩუნებული იყო 50%-ზე, როცა P = 7 W. ყველა შემთხვევაში სითბოს გაფანტვის გასაუმჯობესებლად გამოიყენებოდა ყინულის აბაზანა. მიღებულ MMA_bPn, NVP_bPn და Sty_bPn სუსპენზიებში შემდეგ ატარებდნენ N2-ს 15 min-ის განმავლობაში. ყველა სუსპენზია გააანალიზეს DLS-ით და მიიღეს rH-ის მნიშვნელობები, რომლებიც ძალიან ახლოს იყო DMSO_bPn-ის შესაბამის მნიშვნელობასთან. მაგალითად, MMA_bPn სუსპენზია (დაახლოებით 1% bP-ის შემცველობით) ხასიათდებოდა მნიშვნელობით rH = 512 ± 58 nm.
ფოსფორენის შესახებ სხვა სამეცნიერო კვლევებში აღწერილია ულტრაბგერით საწმენდ მოწყობილობაში რამდენიმე საათის განმავლობაში დამუშავება, მაღალი დუღილის ტემპერატურის მქონე გამხსნელების გამოყენება და დაბალი ეფექტურობა. ამისგან განსხვავებით, Passaglia-ს კვლევითი ჯგუფი წარმოგვიდგენს მაღალეფექტურ ულტრაბგერითი ექსფოლიაციის პროტოკოლს ზონდური ტიპის ულტრაბგერითი მოწყობილობის გამოყენებით (კერძოდ, Hielscher-ის ულტრაბგერითი მოწყობილობის, მოდელის UP200St).

მონოშრიანი ნანოფურცლების ულტრაბგერითი ექსფოლიაცია

უფრო კონკრეტული დეტალებისა და ბოროფენისა და რუთენიუმის ოქსიდის ნანოფურცლების ექსფოლიაციის პროტოკოლების წასაკითხად, გთხოვთ, მიჰყევით ქვემოთ მოცემულ ბმულებს:
ბოროფენი: ულტრაბგერითი დამუშავების პროტოკოლებისა და ბოროფენის ულტრაბგერითი ექსფოლიაციის შედეგებისთვის, გთხოვთ, დააჭირეთ აქ!
RuO2: ულტრაბგერითი დამუშავების პროტოკოლებისა და რუთენიუმის ოქსიდის ნანოფურცლების ულტრაბგერითი ექსფოლიაციის შედეგებისთვის, გთხოვთ, დააჭირეთ აქ!

რამდენიმეშრიანი სილიკის ნანოფურცლების ულტრაბგერითი ექსფოლიაცია

რამდენიმე ფენისგან შემდგარი ექსფოლირებული სილიციუმის დიოქსიდის ნანოფურცლები მიიღეს ბუნებრივი ვერმიკულიტის (Verm) ულტრაბგერითი ექსფოლიაციით. ექსფოლირებული სილიციუმის დიოქსიდის ნანოფურცლების სინთეზისთვის გამოიყენეს შემდეგი თხევადფაზიანი ექსფოლიაციის მეთოდი: 40 mg სილიციუმის დიოქსიდის ნანოფურცლები დისპერგირებული იყო 40 mL აბსოლუტურ ეთანოლში. შემდეგ ნარევი ულტრაბგერით დაამუშავეს 2 h განმავლობაში Hielscher-ის ულტრაბგერითი პროცესორით UP200St, რომელიც აღჭურვილი იყო 7 mm სონოტროდით. ულტრაბგერითი ტალღის ამპლიტუდა მუდმივად შენარჩუნებული იყო 70%-ზე. გადახურების თავიდან ასაცილებლად გამოიყენებოდა ყინულის აბაზანა. არაექსფოლირებული SN მოაცილეს ცენტრიფუგირებით 1000 rpm სიჩქარით 10 min განმავლობაში. საბოლოოდ, პროდუქტი დეკანტაციით გამოყვეს და მთელი ღამის განმავლობაში აშრობდნენ ოთახის ტემპერატურაზე ვაკუუმში. (იხ. Guo et al., 2022)

მაღალი სიმძლავრის ულტრაბგერითი ზონდები და რეაქტორები ქსენების ნანოფურცლების ექსფოლიაციისთვის

Hielscher Ultrasonics აპროექტებს, ამზადებს და ავრცელებს მტკიცე და საიმედო ულტრაბგერით ჰომოგენიზატორებს ნებისმიერი ზომის. კომპაქტური ლაბორატორიული ულტრაბგერითი მოწყობილობებიდან ინდუსტრიულ ულტრაბგერით ზონდებამდე და რეაქტორებამდე, Hielscher-ს აქვს იდეალური ულტრაბგერითი სისტემა თქვენი პროცესისთვის. გრძელვადიანი გამოცდილებით ისეთი მიმართულებებით, როგორიცაა ნანომასალების სინთეზი და დისპერსია, ჩვენი კარგად მომზადებული პერსონალი გირჩევთ თქვენს მოთხოვნებს ყველაზე შესაფერის კონფიგურაციას. Hielscher ინდუსტრიული ულტრაბგერითი პროცესორები ცნობილია, როგორც საიმედო „მუშა ცხენები“ ინდუსტრიულ დაწესებულებებში. ძალიან მაღალი ამპლიტუდების მიწოდების შესაძლებლობით, Hielscher ულტრაბგერითი ჰომოგენიზატორები იდეალურია მაღალეფექტური გამოყენებისთვის, როგორიცაა ქსენების და სხვა 2D ერთფენოვანი ნანომასალების, როგორიცაა ბოროფენი, ფოსფორენი ან გრაფენი, სინთეზი, ასევე ამ ნანოსტრუქტურების საიმედო დისპერსია.
უაღრესად მძლავრი ულტრაბგერა: Hielscher Ultrasonics-ის ინდუსტრიულ ულტრაბგერით პროცესორებს შეუძლიათ ძალიან მაღალი ამპლიტუდების უზრუნველყოფა. 200µm-მდე ამპლიტუდებით უწყვეტი მუშაობა მარტივად არის შესაძლებელი 24/7 რეჟიმში. კიდევ უფრო მაღალი ამპლიტუდებისთვის ხელმისაწვდომია ინდივიდუალურად შექმნილი ულტრაბგერითი სონოტროდები.
უმაღლესი ხარისხი – დაპროექტებულია და დამზადებულია გერმანიაში: ყველა დანადგარი დაპროექტებულია და დამზადებულია ჩვენს სათავო ოფისში გერმანიაში. მომხმარებლისთვის მიწოდებამდე ყოველი ულტრაბგერითი მოწყობილობა გულდასმით მოწმდება სრული დატვირთვის პირობებში. ჩვენ ვისწრაფვით მომხმარებლის კმაყოფილებისკენ და ჩვენი წარმოება ორგანიზებულია ხარისხის უზრუნველყოფის უმაღლესი მოთხოვნების დასაკმაყოფილებლად (მაგ., ISO სერტიფიცირება).

ქვემოთ მოცემული ცხრილი გაწვდით ინფორმაციას ჩვენი ულტრაბგერითი ჰომოგენიზატორების დამუშავების მიახლოებითი წარმადობის შესახებ: