ულტრაბგერითი გრაფენის წარმოება
გრაფენის ულტრაბგერითი სინთეზი გრაფიტის ექსფოლიაციის საშუალებით ყველაზე საიმედო და ხელსაყრელი მეთოდია მაღალი ხარისხის გრაფენის ფურცლების წარმოებისთვის სამრეწველო მასშტაბით. Hielscher მაღალი ხარისხის ულტრაბგერითი პროცესორები ზუსტად კონტროლდება და შეუძლიათ ძალიან მაღალი ამპლიტუდის გენერირება 24/7 მუშაობისას. ეს საშუალებას გაძლევთ მოამზადოთ ხელუხლებელი გრაფენის დიდი მოცულობები მარტივად და ზომით კონტროლირებადი გზით.
გრაფენის ულტრაბგერითი მომზადება
ვინაიდან ცნობილია გრაფიტის არაჩვეულებრივი მახასიათებლები, შემუშავებულია მისი მომზადების რამდენიმე მეთოდი. გარდა გრაფენის ქიმიური წარმოებისა გრაფენის ოქსიდიდან მრავალსაფეხურიან პროცესებში, რისთვისაც საჭიროა ძალიან ძლიერი ჟანგვის და შემცირების აგენტები. გარდა ამისა, ამ მძიმე ქიმიურ პირობებში მომზადებული გრაფენი ხშირად შეიცავს დიდი რაოდენობით დეფექტებს შემცირების შემდეგაც კი, სხვა მეთოდებით მიღებულ გრაფენებთან შედარებით. თუმცა, ულტრაბგერა არის დადასტურებული ალტერნატივა მაღალი ხარისხის გრაფენის წარმოებისთვის, ასევე დიდი რაოდენობით. მკვლევარებმა შეიმუშავეს ოდნავ განსხვავებული გზები ულტრაბგერის გამოყენებით, მაგრამ ზოგადად გრაფენის წარმოება მარტივი ერთსაფეხურიანი პროცესია.
ჩარჩოების მაღალსიჩქარიანი თანმიმდევრობა (a-დან f-მდე), რომელიც ასახავს წყალში გრაფიტის ფანტელის სონო-მექანიკურ აქერცვლას. გამოყენებით UP200S, 200W ულტრაბგერითი 3 მმ sonotrode. ისრებით ნაჩვენებია გაყოფის (აქერცლის) ადგილი კავიტაციის ბუშტებით, რომლებიც შეაღწევენ გაყოფას.
(შესწავლა და სურათები: © Tyurnina et al. 2020
UIP2000hdT – 2 კვტ ძლიერი ულტრაბგერითი გრაფენის აქერცლისთვის
ულტრაბგერითი გრაფენის ექსფოლიაციის უპირატესობები
Hielscher ზონდის ტიპის ულტრაბგერითი აპარატები და რეაქტორები აქცევს გრაფენის აქერცვლას უაღრესად ეფექტურ პროცესად, რომელიც გამოიყენება გრაფიტიდან გრაფენის წარმოებისთვის ძლიერი ულტრაბგერითი ტალღების გამოყენებით. ეს ტექნიკა რამდენიმე უპირატესობას გვთავაზობს გრაფენის წარმოების სხვა მეთოდებთან შედარებით. ულტრაბგერითი გრაფენის ექსფოლიაციის ძირითადი სარგებელი შემდეგია:
- Მაღალი ეფექტურობის: გრაფენის აქერცვლა ზონდის ტიპის ულტრაბგერითი საშუალებით არის გრაფენის წარმოების ძალიან ეფექტური მეთოდი. მას შეუძლია მოკლე დროში აწარმოოს დიდი რაოდენობით მაღალი ხარისხის გრაფენი.
- Დაბალი ფასი: სამრეწველო გრაფენის წარმოებაში ულტრაბგერითი აქერცლისთვის საჭირო აღჭურვილობა შედარებით იაფია გრაფენის წარმოების სხვა მეთოდებთან შედარებით, როგორიცაა ქიმიური ორთქლის დეპონირება (CVD) და მექანიკური აქერცვლა.
- მასშტაბურობა: ულტრაბგერითი აპარატის საშუალებით ამქერცლავი გრაფენი ადვილად შეიძლება გაიზარდოს გრაფენის ფართომასშტაბიანი წარმოებისთვის. გრაფენის ულტრაბგერითი აქერცვლა და დისპერსია შეიძლება ჩატარდეს როგორც ჯგუფურად, ასევე უწყვეტი შიდა პროცესში. ეს ხდის მას სიცოცხლისუნარიან ვარიანტს სამრეწველო მასშტაბის აპლიკაციებისთვის.
- კონტროლი გრაფენის თვისებებზე: გრაფენის აქერცვლა და დელამინაცია ზონდის ტიპის ულტრაბგერითი გამოკვლევის საშუალებით იძლევა წარმოებული გრაფენის თვისებებზე ზუსტი კონტროლის საშუალებას. ეს მოიცავს მის ზომას, სისქეს და ფენების რაოდენობას.
- გარემოზე მინიმალური ზემოქმედება: გრაფენის აქერცვლა დადასტურებული ულტრაბგერითი გამოყენებით არის გრაფენის წარმოების მწვანე მეთოდი, რადგან ის შეიძლება გამოყენებულ იქნას არატოქსიკური, ეკოლოგიურად კეთილთვისებიანი გამხსნელებით, როგორიცაა წყალი ან ეთანოლი. ეს ნიშნავს, რომ ულტრაბგერითი გრაფენის დაშლა საშუალებას გაძლევთ თავიდან აიცილოთ ან შეამციროთ მკაცრი ქიმიკატების ან მაღალი ტემპერატურის გამოყენება. ეს ხდის მას ეკოლოგიურად სუფთა ალტერნატივად გრაფენის წარმოების სხვა მეთოდებისთვის.
მთლიანობაში, გრაფენის აქერცვლა Hielscher ზონდის ტიპის ულტრაბგერითი და რეაქტორების გამოყენებით გთავაზობთ გრაფენის წარმოების ხარჯთეფექტურ, მასშტაბურ და ეკოლოგიურად მეგობრულ მეთოდს მიღებული მასალის თვისებებზე ზუსტი კონტროლით.
გრაფენის მარტივი წარმოების მაგალითი სონიკაციის გამოყენებით
გრაფიტს ემატება განზავებული ორგანული მჟავის, ალკოჰოლის და წყლის ნარევში, შემდეგ კი ნარევს ექვემდებარება ულტრაბგერითი დასხივება. მჟავა მუშაობს როგორც ა “მოლეკულური სოლი” რომელიც გამოყოფს გრაფენის ფურცლებს ძირითადი გრაფიტისგან. ამ მარტივი პროცესის შედეგად იქმნება დიდი რაოდენობით დაუზიანებელი, მაღალი ხარისხის გრაფენი, რომელიც წყალშია გაფანტული. (ან და სხვ. 2010)
მიღებულია გრაფენის ნანოფურცლების მაღალი გარჩევადობის გადამცემი ელექტრონული მიკროსკოპის სურათები
ულტრაბგერითი დახმარებით წყლის ფაზის დისპერსიით და ჰამერის მეთოდით.
(კვლევა და გრაფიკა: განემი და რეჰიმი, 2018)
დამატებითი ინფორმაციისთვის ულტრაბგერითი გრაფენის სინთეზის, დისპერსიისა და ფუნქციონალიზაციის შესახებ, გთხოვთ, დააწკაპუნოთ აქ:
- გრაფენის წარმოება
- გრაფენის ნანოთრომბოციტები
- წყლის დაფუძნებული გრაფენის აქერცვლა
- წყალში დისპერსიული გრაფენი
- გრაფენის ოქსიდი
- ქსენები
გრაფენის პირდაპირი აქერცვლა
ულტრაბგერითი საშუალებას იძლევა გრაფენების მომზადება ორგანულ გამხსნელებში, ზედაპირულად აქტიური ნივთიერებების/წყლის ხსნარებში ან იონურ სითხეებში. ეს ნიშნავს, რომ შეიძლება თავიდან იქნას აცილებული ძლიერი ჟანგვის ან შემცირების აგენტების გამოყენება. სტანკოვიჩი და სხვ. (2007) წარმოებული გრაფენი ულტრაბგერითი ექსფოლიაციის გზით.
გრაფენის ოქსიდის AFM გამოსახულებები ულტრაბგერითი დამუშავებით 1 მგ/მლ კონცენტრაციით წყალში ყოველთვის აჩვენებდა ფურცლების არსებობას ერთიანი სისქით (~ 1 ნმ; მაგალითი ნაჩვენებია ქვემოთ მოცემულ სურათზე). გრაფენის ოქსიდის ეს კარგად აქერცლილი ნიმუშები არ შეიცავდა 1 ნმ-ზე სქელ ან თხელ ფურცლებს, რაც მიგვიყვანს დასკვნამდე, რომ გრაფენის ოქსიდის ცალკეული გრაფენის ფურცლებმდე მართლაც მიიღწევა ამ პირობებში. (Stankovich et al. 2007)
AFM გამოსახულება აქერცლილი GO ფურცლების სამი სიმაღლის პროფილებით, შეძენილი სხვადასხვა ადგილას
(სურათი და შესწავლა: ©Stankovich et al., 2007)
გრაფენის ფურცლების მომზადება
სტენგლი და სხვ. აჩვენეს სუფთა გრაფენის ფურცლების წარმატებული მომზადება დიდი რაოდენობით არასტოქიომეტრიული TiO2 გრაფენის ნანოკომპოზიტის წარმოებისას სუსპენზიის თერმული ჰიდროლიზით გრაფენის ნანოფურცლებით და ტიტანის პეროქსო კომპლექსით. სუფთა გრაფენის ნანოფურცლები დამზადებულია ბუნებრივი გრაფიტისგან მაღალი ინტენსივობის კავიტაციის ველის გამოყენებით, რომელიც წარმოიქმნება Hielscher ულტრაბგერითი პროცესორის UIP1000hd-ით 5 ბარზე ზეწოლის ქვეშ მყოფ ულტრაბგერით რეაქტორში. მიღებული გრაფენის ფურცლები მაღალი სპეციფიური ზედაპირის ფართობითა და უნიკალური ელექტრონული თვისებებით შეიძლება გამოყენებულ იქნას როგორც TiO2-ის კარგი საყრდენი ფოტოკატალიტიკური აქტივობის გასაძლიერებლად. კვლევითი ჯგუფი ამტკიცებს, რომ ულტრაბგერითი მომზადებული გრაფენის ხარისხი ბევრად აღემატება ჰამერის მეთოდით მიღებულ გრაფენს, სადაც ხდება გრაფიტის აქერცვლა და დაჟანგვა. ვინაიდან ულტრაბგერითი რეაქტორის ფიზიკური პირობების ზუსტად კონტროლი შესაძლებელია და იმ ვარაუდით, რომ გრაფენის, როგორც დოპანტის კონცენტრაცია იქნება 1 დიაპაზონში. – 0.001%, გრაფენის წარმოება კომერციული მასშტაბის უწყვეტ სისტემაში ადვილად ინსტალირებულია. სამრეწველო ულტრაბგერითი და შიდა რეაქტორები მაღალი ხარისხის გრაფენის ეფექტური აქერცლისთვის ხელმისაწვდომია.
ულტრაბგერითი რეაქტორი გრაფენის აქერცვლისა და დისპერსიისთვის.
მომზადება გრაფენის ოქსიდის ულტრაბგერითი დამუშავებით
ოჰ და სხვ. (2010) აჩვენეს მომზადების გზა ულტრაბგერითი დასხივების გამოყენებით გრაფენის ოქსიდის (GO) ფენების წარმოებისთვის. ამიტომ, მათ შეაჩერეს ოცდახუთი მილიგრამი გრაფენის ოქსიდის ფხვნილი 200 მლ დეიონიზებულ წყალში. მორევით მიიღეს არაერთგვაროვანი ყავისფერი სუსპენზია. მიღებული სუსპენზიები გაჟღენთილია (30 წთ, 1.3 × 105 ჯ) და გაშრობის შემდეგ (373 კ ტემპერატურაზე) წარმოიქმნა ულტრაბგერითი დამუშავებული გრაფენის ოქსიდი. FTIR სპექტროსკოპიამ აჩვენა, რომ ულტრაბგერითი მკურნალობა არ ცვლის გრაფენის ოქსიდის ფუნქციურ ჯგუფებს.
ულტრაბგერითი მოპოვებული გრაფენის ხელუხლებელი ნანოფურცლების SEM სურათი (Oh et al., 2010)
გრაფენის ფურცლების ფუნქციონალიზაცია
Xu და Suslick (2011) აღწერენ მოსახერხებელ ერთსაფეხურიან მეთოდს პოლისტიროლის ფუნქციონალიზებული გრაფიტის მოსამზადებლად. მათ კვლევაში მათ გამოიყენეს გრაფიტის ფანტელები და სტირონი, როგორც ძირითადი ნედლეული. გრაფიტის ფანტელების სტირონში (რეაქტიული მონომერი) გაჟღერებით, ულტრაბგერითი გამოსხივება მოჰყვა გრაფიტის ფანტელების მექანიკურ ქიმიურ აქერცვლას ერთ ფენად და რამდენიმე ფენის გრაფენის ფურცლებად. პარალელურად, მიღწეულია გრაფენის ფურცლების ფუნქციონალიზაცია პოლისტიროლის ჯაჭვებით.
ფუნქციონალიზაციის იგივე პროცესი შეიძლება განხორციელდეს სხვა ვინილის მონომერებთან ერთად გრაფენზე დაფუძნებული კომპოზიტებისთვის.
სამრეწველო სიმძლავრის ულტრაბგერითი სისტემა სამრეწველო ინლაინ გრაფენის ექსფოლიაციისთვის.
გრაფენის დისპერსიები
გრაფენისა და გრაფენის ოქსიდის დისპერსიული ხარისხი ძალზე მნიშვნელოვანია გრაფენის სრული პოტენციალის გამოსაყენებლად მისი სპეციფიკური მახასიათებლებით. თუ გრაფენი არ არის დისპერსიული კონტროლირებად პირობებში, გრაფენის დისპერსიის პოლიდისპერსიულობამ შეიძლება გამოიწვიოს არაპროგნოზირებადი ან არაიდეალური ქცევა მას შემდეგ, რაც ის ჩართული იქნება მოწყობილობებში, რადგან გრაფენის თვისებები იცვლება მისი სტრუქტურული პარამეტრების მიხედვით. Sonication არის აპრობირებული მკურნალობა შრეთაშორისი ძალების შესუსტების მიზნით და იძლევა დამუშავების მნიშვნელოვანი პარამეტრების ზუსტი კონტროლის საშუალებას.
„გრაფენის ოქსიდისთვის (GO), რომელიც, როგორც წესი, აქერცლდება როგორც ერთშრიანი ფურცლები, პოლიდისპერსიულობის ერთ-ერთი მთავარი გამოწვევა წარმოიქმნება ფანტელების გვერდითი არეების ვარიაციებიდან. ნაჩვენებია, რომ GO-ს საშუალო გვერდითი ზომა შეიძლება გადაინაცვლოს 400 ნმ-დან 20 მკმ-მდე გრაფიტის საწყისი მასალისა და ბგერითი პირობების შეცვლით. (გრინი და სხვ. 2010)
გრაფენის ულტრაბგერითი დაშლა, რაც იწვევს წვრილ და კოლოიდურ შლამებს, აჩვენა სხვადასხვა სხვა კვლევებში. (Liu et al. 2011/ Baby et al. 2011/ Choi et al. 2010)
ჟანგი და სხვ. (2010) აჩვენეს, რომ ულტრაბგერითი მოქმედების გამოყენებით მიიღწევა გრაფენის სტაბილური დისპერსია მაღალი კონცენტრაციით 1 მგ·მლ-1 და შედარებით სუფთა გრაფენის ფურცლები, ხოლო როგორც მომზადებული გრაფენის ფურცლები აჩვენებენ მაღალ ელექტროგამტარობას 712 S·. მ−1. ფურიეს ტრანსფორმირებული ინფრაწითელი სპექტრისა და რამანის სპექტრის გამოკვლევის შედეგებმა აჩვენა, რომ ულტრაბგერითი მომზადების მეთოდი ნაკლებად აზიანებს გრაფენის ქიმიურ და კრისტალურ სტრუქტურებს.
მაღალი ხარისხის ულტრაბგერითი აპარატები გრაფენის აქერცლისთვის
მაღალი ხარისხის გრაფენის ნანო-ფურცლების წარმოებისთვის საჭიროა საიმედო მაღალი ხარისხის ულტრაბგერითი მოწყობილობა. ამპლიტუდა, წნევა და ტემპერატურა არსებითი პარამეტრებია, რომლებიც გადამწყვეტია განმეორებადობისა და პროდუქტის თანმიმდევრული ხარისხისთვის. Hielscher ულტრაბგერითი’ ულტრაბგერითი პროცესორები არის მძლავრი და ზუსტად კონტროლირებადი სისტემები, რომლებიც იძლევა პროცესის პარამეტრების ზუსტი დაყენებისა და უწყვეტი მაღალი სიმძლავრის ულტრაბგერითი გამომუშავების საშუალებას. Hielscher Ultrasonics სამრეწველო ულტრაბგერითი პროცესორებს შეუძლიათ ძალიან მაღალი ამპლიტუდის მიწოდება. 200 μm-მდე ამპლიტუდა შეიძლება ადვილად იყოს გაშვებული 24/7 მუშაობისას. კიდევ უფრო მაღალი ამპლიტუდებისთვის ხელმისაწვდომია მორგებული ულტრაბგერითი სონოტროდები. Hielscher-ის ულტრაბგერითი აღჭურვილობის გამძლეობა იძლევა 24/7 მუშაობის საშუალებას მძიმე მოვალეობასა და მომთხოვნ გარემოში.
ჩვენი მომხმარებლები კმაყოფილნი არიან Hielscher Ultrasonics სისტემების გამორჩეული გამძლეობითა და საიმედოობით. ინსტალაცია მძიმე დატვირთვის გამოყენების სფეროებში, მომთხოვნი გარემოში და 24/7 მუშაობა უზრუნველყოფს ეფექტურ და ეკონომიურ დამუშავებას. ულტრაბგერითი პროცესის ინტენსიფიკაცია ამცირებს დამუშავების დროს და აღწევს უკეთეს შედეგებს, ანუ მაღალ ხარისხს, მაღალ მოსავლიანობას, ინოვაციურ პროდუქტებს.
ქვემოთ მოყვანილი ცხრილი გვიჩვენებს ჩვენი ულტრაბგერითი აპარატების სავარაუდო დამუშავების შესაძლებლობებს:
| სურათების მოცულობა | Დინების სიჩქარე | რეკომენდებული მოწყობილობები |
|---|---|---|
| 0.5-დან 1.5მლ-მდე | na | VialTweeter |
| 1-დან 500 მლ-მდე | 10-დან 200 მლ/წთ-მდე | UP100H |
| 10-დან 2000 მლ-მდე | 20-დან 400 მლ/წთ-მდე | UP200Ht, UP400 ქ |
| 0.1-დან 20ლ-მდე | 0.2-დან 4ლ/წთ-მდე | UIP2000hdT |
| 10-დან 100 ლ-მდე | 2-დან 10ლ/წთ-მდე | UIP4000hdT |
| na | 10-დან 100ლ/წთ-მდე | UIP16000 |
| na | უფრო დიდი | კასეტური UIP16000 |
Დაგვიკავშირდით! / Გვკითხე ჩვენ!
ნახშირბადის ნანოსკროლების მომზადება
Carbon Nanoscrolls მსგავსია მრავალკედლიანი ნახშირბადის ნანომილები. განსხვავება MWCNT-სგან არის ღია წვერები და შიდა ზედაპირების სრული ხელმისაწვდომობა სხვა მოლეკულებისთვის. მათი სინთეზირება შესაძლებელია სველ-ქიმიურად გრაფიტის კალიუმთან ურთიერთქმედებით, წყალში აქერცვლით და კოლოიდური სუსპენზიის გაჟღერებით. (შდრ. Viculis et al. 2003) ულტრაბგერითი დამუშავება ხელს უწყობს გრაფენის მონოშრეების გადახვევას ნახშირბადის ნანოსკროლებად (იხ. გრაფიკი ქვემოთ). მიღწეულია მაღალი კონვერტაციის ეფექტურობა 80%, რაც ნანოსკროლების წარმოებას საინტერესოს ხდის კომერციული აპლიკაციებისთვის.
ნახშირბადის ნანოსკროლების ულტრაბგერითი სინთეზი (Viculis et al. 2003)
ნანორიბონების მომზადება
Hongjie Dai-ს და მისი კოლეგების კვლევითმა ჯგუფმა სტენფორდის უნივერსიტეტიდან იპოვა ნანოლენტების მომზადების ტექნიკა. გრაფენის ლენტები არის გრაფენის თხელი ზოლები, რომლებსაც შეიძლება ჰქონდეთ უფრო სასარგებლო მახასიათებლები, ვიდრე გრაფენის ფურცლები. დაახლოებით 10 ნმ ან უფრო მცირე სიგანეზე, გრაფენის ლენტების ქცევა ნახევარგამტარის მსგავსია, რადგან ელექტრონები იძულებულნი არიან გადაადგილდნენ სიგრძეზე. ამრიგად, შეიძლება საინტერესო იყოს ნანოლენტების გამოყენება ელექტრონიკაში ნახევარგამტარის მსგავსი ფუნქციებით (მაგ. უფრო პატარა, უფრო სწრაფი კომპიუტერული ჩიპებისთვის).
დაი და სხვ. გრაფენის ნანოლენტების მომზადება ორ საფეხურზე დაყრდნობით: პირველ რიგში, მათ გაასუფთავეს გრაფენის ფენები გრაფიტიდან 1000ºC სითბოს დამუშავებით ერთი წუთის განმავლობაში 3% წყალბადში არგონ გაზში. შემდეგ, გრაფენი დაიშალა ზოლებად ულტრაბგერითი გამოყენებით. ამ ტექნიკით მიღებულ ნანო ლენტებს ახასიათებთ ბევრად უფრო რბილი’ კიდეები, ვიდრე ჩვეულებრივი ლითოგრაფიული საშუალებებით გაკეთებული. (Jiao et al. 2009)
გრაფენის წარმოება ულტრაბგერითი დახმარებით
ფაქტები, რომელთა ცოდნაც ღირს
რა არის გრაფენი?
გრაფიტი შედგება sp2-ჰიბრიდირებული, ექვსკუთხა განლაგებული ნახშირბადის ატომების ორგანზომილებიანი ფურცლებისაგან - გრაფენი, რომლებიც რეგულარულად არის დაწყობილი. გრაფენის ატომის თხელი ფურცლები, რომლებიც ქმნიან გრაფიტს არაშემაკავშირებელ ურთიერთქმედების შედეგად, ხასიათდება უკიდურესად დიდი ზედაპირის ფართობით. გრაფენი ავლენს არაჩვეულებრივ სიმტკიცეს და სიმტკიცეს ბაზალურ დონეზე, რომელიც აღწევს დაახლ. 1020 GPa თითქმის ალმასის სიძლიერის ღირებულება.
გრაფენი არის ზოგიერთი ალოტროპის ძირითადი სტრუქტურული ელემენტი, მათ შორის, გრაფიტის გარდა, ნახშირბადის ნანომილები და ფულერენი. როგორც დანამატი, გრაფენს შეუძლია მკვეთრად გააძლიეროს პოლიმერული კომპოზიტების ელექტრული, ფიზიკური, მექანიკური და ბარიერული თვისებები უკიდურესად დაბალი დატვირთვით. (Xu, Suslick 2011)
თავისი თვისებებით, გრაფენი არის სუპერლატივების მასალა და, შესაბამისად, პერსპექტიული ინდუსტრიებისთვის, რომლებიც აწარმოებენ კომპოზიტებს, საფარებს ან მიკროელექტრონიკას. გეიმი (2009) მოკლედ აღწერს გრაფენს, როგორც სუპერმასალას შემდეგ აბზაცში:
”ეს არის ყველაზე თხელი მასალა სამყაროში და ყველაზე ძლიერი, რაც კი ოდესმე გაზომილია. მისი მუხტის მატარებლები ავლენენ გიგანტურ შინაგან მობილობას, აქვთ ყველაზე მცირე ეფექტური მასა (ის არის ნული) და შეუძლიათ მიკრომეტრიანი მანძილების გავლა ოთახის ტემპერატურაზე გაფანტვის გარეშე. გრაფენს შეუძლია შეინარჩუნოს დენის სიმკვრივე 6 რიგით მეტი ვიდრე სპილენძი, აჩვენებს რეკორდულ თბოგამტარობას და სიმტკიცეს, არის გაუვალი აირებისთვის და ათავსებს ისეთ წინააღმდეგობრივ თვისებებს, როგორიცაა მსხვრევადობა და დრეკადობა. ელექტრონის ტრანსპორტირება გრაფენში აღწერილია დირაკის მსგავსი განტოლებით, რომელიც საშუალებას იძლევა გამოიკვლიოს რელატივისტური კვანტური ფენომენები სკამზე ექსპერიმენტში.
ამ გამორჩეული მასალის მახასიათებლების გამო, გრაფენი ერთ-ერთი ყველაზე პერსპექტიული მასალაა და დგას ნანომასალების კვლევის ყურადღების ცენტრში.
პოტენციური აპლიკაციები გრაფენისთვის
ბიოლოგიური აპლიკაციები: ულტრაბგერითი გრაფენის მომზადებისა და მისი ბიოლოგიური გამოყენების მაგალითი მოცემულია კვლევაში „გრაფინი-ოქროს ნანოკომპოზიტების სინთეზი სონოქიმიური შემცირების გზით“ Park et al. (2011), სადაც ნანოკომპოზიტი შემცირებული გრაფენის ოქსიდის - ოქროს (Au) ნანონაწილაკებისგან სინთეზირებული იყო ოქროს იონების ერთდროულად შემცირებით და ოქროს ნანონაწილაკების დეპონირებით შემცირებული გრაფენის ოქსიდის ზედაპირზე ერთდროულად. ოქროს იონების შემცირებისა და ჟანგბადის ფუნქციების წარმოქმნის გასაადვილებლად ოქროს ნანონაწილაკების დამაგრების მიზნით შემცირებულ გრაფენის ოქსიდზე, ულტრაბგერითი დასხივება გამოიყენეს რეაქტორების ნარევზე. ოქროს შეკვრა-პეპტიდ-მოდიფიცირებული ბიომოლეკულების წარმოება აჩვენებს გრაფენისა და გრაფენის კომპოზიტების ულტრაბგერითი დასხივების პოტენციალს. აქედან გამომდინარე, ულტრაბგერა, როგორც ჩანს, შესაფერისი ინსტრუმენტია სხვა ბიომოლეკულების მოსამზადებლად.
ელექტრონიკა: გრაფენი არის უაღრესად ფუნქციონალური მასალა ელექტრონული სექტორისთვის. გრაფენის ქსელში მუხტის მატარებლების მაღალი მობილურობით, გრაფენი ყველაზე საინტერესოა მაღალი სიხშირის ტექნოლოგიაში სწრაფი ელექტრონული კომპონენტების განვითარებისთვის.
სენსორები: ულტრაბგერითი აქერცლილი გრაფენი შეიძლება გამოყენებულ იქნას უაღრესად მგრძნობიარე და შერჩევითი კონდუქტომეტრიული სენსორების წარმოებისთვის (რომელთა წინააღმდეგობაც სწრაფად იცვლება. >10 000% გაჯერებული ეთანოლის ორთქლში) და ულტრაკონდენსატორები უკიდურესად მაღალი სპეციფიკური ტევადობით (120 F/g), სიმძლავრის სიმკვრივით (105 კვტ/კგ) და ენერგიის სიმკვრივით (9.2 Wh/kg). (ან და სხვ. 2010)
ალკოჰოლი: ალკოჰოლის წარმოებისთვის: გვერდითი გამოყენება შეიძლება იყოს გრაფენის გამოყენება ალკოჰოლის წარმოებაში, იქ გრაფენის მემბრანები შეიძლება გამოყენებულ იქნას ალკოჰოლის გამოხდისთვის და ამით ალკოჰოლური სასმელების გასაძლიერებლად.
როგორც ყველაზე ძლიერი, ყველაზე ელექტროგამტარი და ერთ-ერთი ყველაზე მსუბუქი და მოქნილი მასალა, გრაფენი არის პერსპექტიული მასალა მზის უჯრედებისთვის, კატალიზებისთვის, გამჭვირვალე და გამოსხივების დისპლეებისთვის, მიკრომექანიკური რეზონატორებისთვის, ტრანზისტორებისთვის, როგორც კათოდი ლითიუმ-ჰაერის ბატარეებში, ულტრამგრძნობიარე ქიმიური დეტექტორებისთვის. , გამტარ საიზოლაციო და ასევე ნაერთებში დანამატად გამოყენება.
მაღალი სიმძლავრის ულტრაბგერის მუშაობის პრინციპი
სითხეების მაღალი ინტენსივობით გაჟღერებისას, ხმის ტალღები, რომლებიც ვრცელდება თხევად მედიაში, იწვევს მაღალი წნევის (შეკუმშვის) და დაბალი წნევის (იშვიათობის) ციკლების მონაცვლეობას, სიხშირეები დამოკიდებულია სიხშირეზე. დაბალი წნევის ციკლის დროს, მაღალი ინტენსივობის ულტრაბგერითი ტალღები ქმნის მცირე ვაკუუმურ ბუშტებს ან სიცარიელეს სითხეში. როდესაც ბუშტები აღწევენ მოცულობას, რომლითაც ისინი ვეღარ შთანთქავენ ენერგიას, ისინი ძალად იშლება მაღალი წნევის ციკლის დროს. ამ ფენომენს კავიტაცია ეწოდება. აფეთქების დროს ადგილობრივად მიიღწევა ძალიან მაღალი ტემპერატურა (დაახლოებით 5000K) და წნევა (დაახლოებით 2000ატმ). კავიტაციის ბუშტის აფეთქება ასევე იწვევს სითხის ჭავლებს 280 მ/წმ-მდე სიჩქარით. (Suslick 1998) ულტრაბგერითი წარმოქმნილი კავიტაცია იწვევს ქიმიურ და ფიზიკურ ეფექტებს, რომლებიც შეიძლება გამოყენებულ იქნას პროცესებზე.
კავიტაციის შედეგად გამოწვეული სონოქიმია უზრუნველყოფს უნიკალურ ურთიერთქმედებას ენერგიასა და მატერიას შორის, ბუშტების შიგნით ცხელი წერტილებით ~ 5000 K, წნევით ~ 1000 ბარი, გათბობისა და გაგრილების სიჩქარით. >1010K s-1; ეს არაჩვეულებრივი პირობები იძლევა წვდომას ქიმიური რეაქციის ფართო სპექტრზე, რომელიც ჩვეულებრივ მიუწვდომელია, რაც შესაძლებელს ხდის მრავალფეროვანი უჩვეულო ნანოსტრუქტურული მასალების სინთეზს. (Bang 2010)
ლიტერატურა / ლიტერატურა
- FactSheet: Ultrasonic Graphene Exfoliation and Dispersion – Hielscher Ultrasonics – english version
- FactSheet: Exfoliación y Dispersión de Grafeno por Ultrasonidos – Hielscher Ultrasonics – spanish version
- 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.
- Anastasia V. Tyurnina, Iakovos Tzanakis, Justin Morton, Jiawei Mi, Kyriakos Porfyrakis, Barbara M. Maciejewska, Nicole Grobert, Dmitry G. Eskin 2020): Ultrasonic exfoliation of graphene in water: A key parameter study. Carbon, Vol. 168, 2020.
- 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.
- Stengl, V.; Popelková, D.; Vlácil, P. (2011): TiO2-Graphene Nanocomposite as High Performance Photocatalysts. In: Journal of Physical Chemistry C 115/2011. pp. 25209-25218.
- An, X.; Simmons, T.; Shah, R.; Wolfe, C.; Lewis, K. M.; Washington, M.; Nayak, S. K.; Talapatra, S.; Kar, S. (2010): Stable Aqueous Dispersions of Noncovalently Functionalized Graphene from Graphite and their Multifunctional High-Performance Applications. Nano Letters 10/2010. pp. 4295-4301.
- Baby, T. Th.; Ramaprabhu, S. (2011): Enhanced convective heat transfer using graphene dispersed nanofluids. Nanoscale Research Letters 6:289, 2011.
- Bang, J. H.; Suslick, K. S. (2010): Applications of Ultrasound to the Synthesis of Nanostructured Materials. Advanced Materials 22/2010. pp. 1039-1059.
- Choi, E. Y.; Han, T. H.; Hong, J.; Kim, J. E.; Lee, S. H.; Kim, H. W.; Kim, S. O. (2010): Noncovalent functionalization of graphene with end-functional polymers. Journal of Materials Chemistry 20/ 2010. pp. 1907-1912.
- Geim, A. K. (2009): Graphene: Status and Prospects. Science 324/2009. pp. 1530-1534.
- Green, A. A.; Hersam, M. C. (2010): Emerging Methods for Producing Monodisperse Graphene Dispersions. Journal of Physical Chemistry Letters 2010. pp. 544-549.
- Guo, J.; Zhu, S.; Chen, Z.; Li, Y.; Yu, Z.; Liu, Z.; Liu, Q.; Li, J.; Feng, C.; Zhang, D. (2011): Sonochemical synthesis of TiO2 nanoparticles on graphene for use as photocatalyst
- Hasan, K. ul; Sandberg, M. O.; Nur, O.; Willander, M. (2011): Polycation stabilization of graphene suspensions. Nanoscale Research Letters 6:493, 2011.
- Liu, X.; Pan, L.; Lv, T.; Zhu, G.; Lu, T.; Sun, Z.; Sun, C. (2011): Microwave-assisted synthesis of TiO2-reduced graphene oxide composites for the photocatalytic reduction of Cr(VI). RSC Advances 2011.
- Malig, J.; Englert, J. M.; Hirsch, A.; Guldi, D. M. (2011): Wet Chemistry of Graphene. The Electrochemical Society Interface, Spring 2011. pp. 53-56.
- Oh, W. Ch.; Chen, M. L.; Zhang, K.; Zhang, F. J.; Jang, W. K. (2010): The Effect of Thermal and Ultrasonic Treatment on the Formation of Graphene-oxide Nanosheets. Journal of the Korean Physical Society 4/56, 2010. pp. 1097-1102.
- Sametband, M.; Shimanovich, U.; Gedanken, A. (2012): Graphene oxide microspheres prepared by a simple, one-step ultrasonication method. New Journal of Chemistry 36/2012. pp. 36-39.
- Savoskin, M. V.; Mochalin, V. N.; Yaroshenko, A. P.; Lazareva, N. I.; Konstanitinova, T. E.; Baruskov, I. V.; Prokofiev, I. G. (2007): Carbon nanoscrolls produced from acceptor-type graphite intercalation compounds. Carbon 45/2007. pp. 2797-2800.
- Stankovich, S.; Dikin, D. A.; Piner, R. D.; Kohlhaas, K. A.; Kleinhammes, A.; Jia, Y.; Wu, Y.; Nguyen, S. T.; Ruoff, R. S. (2007): Synthesis of graphene-based nanosheets via chemical reduction of exfoliated graphite oxide. Carbon 45/2007. pp. 1558-1565.
- Viculis, L. M.; Mack, J. J.; Kaner, R. B. (2003): A Chemical Route To Carbon Nanoscrolls. Science, 299/1361; 2003.
- Xu, H.; Suslick, K. S. (2011): Sonochemical Preparation of Functionalized Graphenes. In: Journal of American Chemical Society 133/2011. pp. 9148-9151.
- Zhang, W.; He, W.; Jing, X. (2010): Preparation of a Stable Graphene Dispersion with High Concentration by Ultrasound. Journal of Physical Chemistry B 32/114, 2010. pp. 10368-10373.
- Jiao, L.; Zhang, L.; Wang, X.; Diankov, G.; Dai, H. (2009): Narrow graphene nanoribbons from carbon nanotubes. Nature 458/ 2009. pp. 877-880.
- Park, G.; Lee, K. G.; Lee, S. J.; Park, T. J.; Wi, R.; Kim, D. H. (2011): Synthesis of Graphene-Gold Nanocomposites via Sonochemical Reduction. Journal of Nanoscience and Nanotechnology 7/11, 2011. pp. 6095-6101.
- Zhang, R.Q.; De Sakar, A. (2011): Theoretical Studies on Formation, Property Tuning and Adsorption of Graphene Segments. In: M. Sergey (ed.): Physics and Applications of Graphene – Theory. InTech 2011. pp. 3-28.
Hielscher Ultrasonics აწარმოებს მაღალი ხარისხის ულტრაბგერითი ჰომოგენიზატორებისგან ლაბორატორია რომ სამრეწველო ზომა.