ულტრაბგერითი გრაფენის წარმოება

გრაფიტის ექსფოლიაციის გზით გრაფენის ულტრაბგერითი სინთეზი არის ყველაზე საიმედო და ხელსაყრელი მეთოდი მაღალი ხარისხის გრაფენის ფურცლების წარმოებისთვის სამრეწველო მასშტაბით. Hielscher-ის მაღალი წარმადობის ულტრაბგერითი პროცესორები ზუსტად კონტროლდება და შეუძლიათ ძალიან მაღალი ამპლიტუდების გენერირება 24/7 რეჟიმში. ეს საშუალებას გვაძლევს მოვამზადოთ პრისტინული გრაფენის დიდი მოცულობები მარტივ და ზომით კონტროლირებად გზით.

გრაფენის ულტრაბგერითი მომზადება

რადგან გრაფიტის უნიკალური თვისებები ცნობილია, მისი მომზადების რამდენიმე მეთოდი შეიქმნა. გრაფენის ოქსიდისგან გრაფენების ქიმიური წარმოების გარდა, რომელიც მრავალსაფეხურიანი პროცესებია და სადაც ძალიან ძლიერი მჟანგავი და აღმდგენი აგენტებია საჭირო. გარდა ამისა, გრაფენი, რომელიც მომზადებულია ამ მკაცრი ქიმიური პირობების ქვეშ, ხშირად შეიცავს დეფექტების დიდ რაოდენობას აღდგენის შემდეგაც კი, სხვა მეთოდებით მიღებულ გრაფენებთან შედარებით. თუმცა, ულტრაბგერა არის დამტკიცებული ალტერნატივა მაღალი ხარისხის გრაფენის წარმოებისთვის, ასევე დიდი რაოდენობით. მკვლევრებმა შეიმუშავეს ულტრაბგერის გამოყენების ოდნავ განსხვავებული გზები, მაგრამ ზოგადად, გრაფენის წარმოება არის მარტივი ერთსაფეხურიანი პროცესი.

ულტრაბგერითი გრაფენის ექსფოლიაცია წყალში

მაღალსიჩქარიანი თანმიმდევრობა (a-დან f-მდე) კადრებისა, რომლებიც აჩვენებს გრაფიტის ფანტელის სონომექანიკურ ექსფოლიაციას წყალში UP200S-ის გამოყენებით, 200W ულტრაზონატორი 3-mm სონოტროდით. ისრები აჩვენებს გაყოფის (ექსფოლიაციის) ადგილს, სადაც კავიტაციის ბუშტები ჭრილში აღწევს.
(კვლევა და სურათები: © Tyurnina et al. 2020

UIP2000hdT - 2kW ულტრაბგერითი დამამუშავებელი სითხეებისთვის.

UIP2000hdT – 2kW მძლავრი ულტრაზონატორი გრაფენის ექსფოლიაციისთვის

ულტრაბგერითი გრაფენის ექსფოლიაციის უპირატესობები

Hielscher-ის პრობ-ტიპის ულტრაზონატორები და რეაქტორები გრაფენის ექსფოლიაციას აქცევს მაღალეფექტურ პროცესად, რომელიც გამოიყენება გრაფენის წარმოებისთვის გრაფიტიდან მძლავრი ულტრაბგერითი ტალღების გამოყენებით. ეს ტექნიკა რამდენიმე უპირატესობას გვთავაზობს გრაფენის წარმოების სხვა მეთოდებთან შედარებით. ულტრაბგერითი გრაფენის ექსფოლიაციის მთავარი სარგებელი შემდეგია:

მაღალი ეფექტურობა: მას შეუძლია მოამზადოს მაღალი ხარისხის გრაფენის დიდი რაოდენობა მოკლე დროში.
დაბალი ღირებულება: სამრეწველო გრაფენის წარმოებაში ულტრაბგერითი ექსფოლიაციისთვის საჭირო აღჭურვილობა შედარებით იაფია გრაფენის წარმოების სხვა მეთოდებთან შედარებით, როგორიცაა ქიმიური ორთქლის ზედნადები (CVD) და მექანიკური ექსფოლიაცია.
მასშტაბირებადობა: გრაფენის ექსფოლიაცია ულტრაზონატორის საშუალებით მარტივად მასშტაბირდება გრაფენის მასშტაბური წარმოებისთვის. გრაფენის ულტრაბგერითი ექსფოლიაცია და დისპერსია შეიძლება ჩატარდეს პარტიულ, ასევე უწყვეტ ინლაინ პროცესში. ეს მას აქცევს შესაძლებელ ვარიანტს სამრეწველო მასშტაბის გამოყენებებისთვის.
კონტროლი გრაფენის თვისებებზე: გრაფენის ექსფოლიაცია და დელამინაცია პრობ-ტიპის ულტრაბგერითი დამუშავების გამოყენებით საშუალებას გვაძლევს ზუსტად ვაკონტროლოთ წარმოებული გრაფენის თვისებები. ეს მოიცავს მის ზომას, სისქეს და ფენების რაოდენობას.
მინიმალური გარემოზე ზემოქმედება: გრაფენის ექსფოლიაცია ულტრაბგერითი პრობის გამოყენებით არის გრაფენის წარმოების მწვანე მეთოდი, რადგან ის შეიძლება გამოვიყენოთ არატოქსიკურ, გარემოსთვის უვნებელ გამხსნელებთან, როგორიცაა წყალი ან ეთანოლი. ეს ნიშნავს, რომ ულტრაბგერითი გრაფენის დელამინაცია საშუალებას გვაძლევს თავიდან ავიცილოთ ან შევამციროთ მკაცრი ქიმიკატების ან მაღალი ტემპერატურების გამოყენება. ეს მას აქცევს გარემოსდაცვითად მეგობრულ ალტერნატივას გრაფენის წარმოების სხვა მეთოდებთან შედარებით.

ზოგადად, გრაფენის ექსფოლიაცია Hielscher-ის პრობ-ტიპის ულტრაზონატორებისა და რეაქტორების გამოყენებით გვთავაზობს ეკონომიურ, მასშტაბირებად და გარემოსდაცვითად მეგობრულ მეთოდს გრაფენის წარმოებისთვის, ზუსტი კონტროლით მიღებული მასალის თვისებებზე.

მაგალითი გრაფენის მარტივი წარმოებისთვის ულტრაბგერითი დამუშავების გამოყენებით

გრაფიტი ემატება განზავებული ორგანული მჟავის, სპირტისა და წყლის ნარევს, და შემდეგ ნარევი ექვემდებარება ულტრაბგერით დასხივებას. მჟავა მოქმედებს როგორც „მოლეკულური სოლი“, რომელიც გამოყოფს გრაფენის ფურცლებს მშობლიური გრაფიტისგან. ამ მარტივი პროცესით იქმნება დაზიანებების გარეშე, მაღალი ხარისხის გრაფენის დიდი რაოდენობა, დისპერსირებული წყალში. (An et al. 2010)
 

ვიდეოში ნაჩვენებია გრაფიტის ულტრაბგერითი შერევა და დისპერგირება 250mL ეპოქსიდურ ფისში (Toolcraft L), ულტრაბგერითი ჰომოგენიზატორის (UP400St, Hielscher Ultrasonics) გამოყენებით. Hielscher Ultrasonics აწარმოებს მოწყობილობებს გრაფიტის, გრაფენის, ნახშირბადის ნანომილების, ნანომავთულებისა თუ შემავსებლების დისპერგირებისთვის ლაბორატორიაში ან დიდი მოცულობის საწარმოო პროცესებში. ტიპური გამოყენებებია ნანომასალებისა და მიკრომასალების დისპერგირება ფუნქციონალიზაციის პროცესში ან მათი დისპერგირება ფისებსა თუ პოლიმერებში.

დეფექტების გარეშე მრავალფენიანი გრაფენის ნანოპლაკინები წარმოიქმნება ულტრაბგერითი დამუშავების გზით

გრაფენის ნანოფურცლების მაღალი გარჩევადობის გადაცემის ელექტრონული მიკროსკოპის გამოსახულებები, მიღებული
ულტრაბგერითი დახმარებით წყალფაზიანი დისპერსიისა და ჰამერის მეთოდის მეშვეობით.
(კვლევა და გრაფიკა: Ghanem and Rehim, 2018)

იმისათვის, რომ მეტი გაიგოთ ულტრაბგერითი გრაფენის სინთეზის, დისპერსიისა და ფუნქციონალიზაციის შესახებ, გთხოვთ, დააჭირეთ აქ:

გრაფენის პირდაპირი ექსფოლიაცია

ულტრაბგერა საშუალებას იძლევა მოხდეს გრაფენების მომზადება ორგანულ გამხსნელებში, სურფაქტანტების/წყლის ხსნარებში ან იონურ სითხეებში. ეს ნიშნავს, რომ შეიძლება თავიდან იქნას აცილებული ძლიერი მჟანგავი ან აღმდგენი აგენტების გამოყენება. Stankovich et al. (2007) მიიღეს გრაფენი ულტრაბგერითი დამუშავების პირობებში ექსფოლიაციის გზით.
წყალში 1 mg/mL კონცენტრაციებზე ულტრაბგერითი დამუშავებით ექსფოლირებული გრაფენის ოქსიდის AFM გამოსახულებები ყოველთვის აჩვენებდა ერთნაირი სისქის (~1 nm; მაგალითი ნაჩვენებია ქვემოთ მოცემულ სურათზე) ფურცლების არსებობას. გრაფენის ოქსიდის ამ კარგად ექსფოლირებულ ნიმუშებში არ იყო 1nm-ზე მეტი ან ნაკლები სისქის ფურცლები, რაც ცხადყოფს, რომ გრაფენის ოქსიდის სრული ექსფოლიაცია ინდივიდუალურ გრაფენის ოქსიდის ფურცლებამდე ამ პირობებში ნამდვილად იქნა მიღწეული. (Stankovich et al. 2007)

Hielscher-ის მაღალი სიმძლავრის ულტრაბგერითი ზონდები და რეაქტორები იდეალური ინსტრუმენტებია გრაფენის მოსამზადებლად – როგორც ლაბორატორიულ, ისე სრულ საწარმოო პროცესებში

ექსფოლირებული GO ფურცლების AFM გამოსახულება სამი სიმაღლის პროფილით, მიღებული სხვადასხვა ადგილას
(სურათი და კვლევა: ©Stankovich et al., 2007)

გრაფენის ფურცლების მომზადება

Stengl et al. აჩვენეს სუფთა გრაფენის ფურცლების წარმატებული მომზადება დიდი რაოდენობით არასტოქიომეტრიული TiO2 გრაფენის ნანოკომპოზიტის წარმოების დროს, გრაფენის ნანოფურცლებისა და ტიტანიუმის პეროქსო კომპლექსის სუსპენზიის თერმული ჰიდროლიზის გზით. სუფთა გრაფენის ნანოფურცლები მიღებულ იქნა ბუნებრივი გრაფიტისგან მაღალი ინტენსივობის კავიტაციის ველის გამოყენებით, რომელიც გენერირდებოდა Hielscher ულტრაბგერითი პროცესორის UIP1000hd მიერ 5 bar წნევის მქონე ულტრაბგერით რეაქტორში. მიღებული გრაფენის ფურცლები, მაღალი კუთრი ზედაპირის ფართობითა და უნიკალური ელექტრონული თვისებებით, შეიძლება გამოყენებულ იქნას როგორც კარგი საყრდენი TiO2-სთვის ფოტოკატალიზური აქტივობის გასაძლიერებლად. სამეცნიერო ჯგუფი აცხადებს, რომ ულტრაბგერით მომზადებული გრაფენის ხარისხი ბევრად მაღალია ვიდრე ჰამერის მეთოდით მიღებული გრაფენი, სადაც გრაფიტი ექსფოლირდება და იჟანგება. ვინაიდან ულტრაბგერით რეაქტორში ფიზიკური პირობები ზუსტად კონტროლდება და იმის დაშვებით, რომ გრაფენის კონცენტრაცია დოპანტის სახით იქნება 1 – 0,001% დიაპაზონში, გრაფენის წარმოება უწყვეტ სისტემაში კომერციული მასშტაბით მარტივად დაინერგება. მაღალი ხარისხის გრაფენის ეფექტური ექსფოლიაციისთვის სამრეწველო ულტრაბგერითი პროცესორები და ინლაინ რეაქტორები ადვილად ხელმისაწვდომია.

ულტრაბგერითი რეაქტორი გრაფენის ექსფოლიაციისთვის.

ულტრაბგერითი რეაქტორი გრაფენის ექსფოლიაციისა და დისპერსიისთვის.

გრაფენის ოქსიდის ულტრაბგერითი დამუშავებით მომზადება

Oh et al. (2010) აჩვენეს მომზადების გზა ულტრაბგერითი დასხივების გამოყენებით გრაფენის ოქსიდის (GO) ფენების მისაღებად. ამისთვის მათ 200 ml დეიონიზებულ წყალში შეაჩერეს ოცდახუთი მილიგრამი გრაფენის ოქსიდის ფხვნილი. მორევით მათ მიიღეს არაერთგვაროვანი ყავისფერი სუსპენზია. მიღებული სუსპენზიები დამუშავდა ულტრაბგერით (30 წთ, 1,3 × 105J), და გაშრობის შემდეგ (373 K-ზე) მიღებულ იქნა ულტრაბგერით დამუშავებული გრაფენის ოქსიდი. FTIR სპექტროსკოპიამ აჩვენა, რომ ულტრაბგერითმა დამუშავებამ არ შეცვალა გრაფენის ოქსიდის ფუნქციური ჯგუფები.

ულტრაბგერითად ექსფოლირებული გრაფენის ოქსიდის ნანოფურცლები

ულტრაბგერითი დამუშავებით მიღებული გრაფენის პრისტინული ნანოფურცლების SEM გამოსახულება (Oh et al., 2010)

გრაფენის ფურცლების ფუნქციონალიზაცია

Xu და Suslick (2011) აღწერენ პოლისტიროლით ფუნქციონალიზებული გრაფიტის მოსამზადებლად მოსახერხებელ ერთსაფეხურიან მეთოდს. თავიანთ კვლევაში მათ საბაზისო ნედლეულად გამოიყენეს გრაფიტის ფანტელები და სტიროლი. გრაფიტის ფანტელების სტიროლში (რეაქციულ მონომერში) ულტრაბგერითი დამუშავებით, ულტრაბგერითმა დასხივებამ გამოიწვია გრაფიტის ფანტელების მექანოქიმიური ექსფოლიაცია ერთფენიან და რამდენიმეფენიან გრაფენის ფურცლებად. ამავდროულად, განხორციელდა გრაფენის ფურცლების ფუნქციონალიზაცია პოლისტიროლის ჯაჭვებით.
ფუნქციონალიზაციის იგივე პროცესი შეიძლება განხორციელდეს სხვა ვინილის მონომერებით გრაფენზე დაფუძნებული კომპოზიტებისთვის.

მაღალი წარმადობის ულტრაბგერითი ჰომოგენიზატორები უზრუნველყოფენ პირველყოფილი გრაფენის ნანოფურცლების საიმედო და მაღალეფექტურ ექსფოლიაციას უწყვეტი ინლაინ წარმოებისას.

სამრეწველო სიმძლავრის ულტრაბგერითი სისტემა გრაფენის სამრეწველო ინლაინ ექსფოლიაციისთვის.

გრაფენის დისპერსიები

გრაფენისა და გრაფენის ოქსიდის დისპერსიის ხარისხი უმნიშვნელოვანესია გრაფენის სრული პოტენციალის გამოსაყენებლად მისი სპეციფიკური მახასიათებლებით. თუ გრაფენი არ არის დისპერგირებული კონტროლირებად პირობებში, გრაფენის დისპერსიის პოლიდისპერსულობამ შეიძლება გამოიწვიოს არაპროგნოზირებადი ან არაიდეალური ქცევა, როდესაც ის ჩართული იქნება მოწყობილობებში, რადგან გრაფენის თვისებები იცვლება მისი სტრუქტურული პარამეტრების ფუნქციად. ულტრაბგერითი დამუშავება არის დადასტურებული მეთოდი ფენათაშორისი ძალების შესასუსტებლად და საშუალებას იძლევა ზუსტი კონტროლი განხორციელდეს მნიშვნელოვან დამუშავების პარამეტრებზე.
„გრაფენის ოქსიდისთვის (GO), რომელიც ტიპურად ექსფოლიირდება ერთფენიან ფურცლებად, პოლიდისპერსულობის ერთ-ერთი მთავარი გამოწვევა გამომდინარეობს ფანტელების გვერდითი ფართობის ცვალებადობიდან. ნაჩვენებია, რომ GO-ს საშუალო გვერდითი ზომა შეიძლება შეიცვალოს 400 nm-დან 20 μm-მდე საწყისი გრაფიტის მასალისა და ულტრაბგერითი დამუშავების პირობების ცვლილებით.“ (Green et al. 2010)
გრაფენის ულტრაბგერითი დისპერგირება, რომელიც იწვევს წვრილ და თანაბარ კოლოიდურ ნარევებს, დემონსტრირებულია სხვადასხვა სხვა კვლევებში. (Liu et al. 2011/ Baby et al. 2011/ Choi et al. 2010)
Zhang et al. (2010) აჩვენეს, რომ ულტრაბგერითი დამუშავების გამოყენებით მიიღწევა სტაბილური გრაფენის დისპერსია 1 mg·mL−1 მაღალი კონცენტრაციით და შედარებით სუფთა გრაფენის ფურცლები, ხოლო მიღებული გრაფენის ფურცლები ავლენენ 712 S·m−1⁻¹ მაღალ ელექტროგამტარობას. ფურიეს გარდაქმნილი ინფრაწითელი სპექტრებისა და რამანის სპექტრების გამოკვლევის შედეგებმა აჩვენა, რომ ულტრაბგერითი მომზადების მეთოდს აქვს ნაკლები ზიანი გრაფენის ქიმიურ და კრისტალურ სტრუქტურებზე.

მაღალი წარმადობის ულტრაბგერითი პროცესორები გრაფენის ექსფოლიაციისთვის

მაღალი ხარისხის გრაფენის ნანოფურცლების წარმოებისთვის საჭიროა საიმედო მაღალი წარმადობის ულტრაბგერითი აღჭურვილობა. ამპლიტუდა, წნევა და ტემპერატურა არის არსებითი პარამეტრები, რომლებიც გადამწყვეტია გამეორებადობისა და პროდუქტის თანაბარი ხარისხისთვის. Hielscher Ultrasonics-ის ულტრაბგერითი პროცესორები არის მძლავრი და ზუსტად კონტროლირებადი სისტემები, რომლებიც საშუალებას იძლევა ზუსტად დაყენდეს პროცესის პარამეტრები და უზრუნველყოფილი იყოს უწყვეტი მაღალი სიმძლავრის ულტრაბგერითი გამოსავალი. Hielscher Ultrasonics-ის სამრეწველო ულტრაბგერითი პროცესორებს შეუძლიათ მიიღონ ძალიან მაღალი ამპლიტუდები. 200µm-მდე ამპლიტუდები მარტივად შეიძლება უწყვეტად გაეშვას 24/7 რეჟიმში. უფრო მაღალი ამპლიტუდებისთვის ხელმისაწვდომია ინდივიდუალურად შექმნილი ულტრაბგერითი სონოტროდები. Hielscher-ის ულტრაბგერითი აღჭურვილობის გამძლეობა საშუალებას იძლევა 24/7 ექსპლუატაციისა მძიმე დატვირთვასა და მოთხოვნად გარემოში.
ჩვენი მომხმარებლები კმაყოფილები არიან Hielscher Ultrasonics სისტემების გამორჩეული გამძლეობითა და საიმედოობით. ინსტალაცია მძიმე ექსპლუატაციის სფეროებში, მოთხოვნად გარემოში და 24/7 რეჟიმში უზრუნველყოფს ეფექტურ და ეკონომიურ დამუშავებას. ულტრაბგერითი პროცესის ინტენსიფიკაცია ამცირებს დამუშავების დროს და მიაღწევს უკეთეს შედეგებს, ანუ უფრო მაღალ ხარისხს, უფრო მაღალ გამოსავლიანობას, ინოვაციურ პროდუქტებს.
ქვემოთ მოცემული ცხრილი გაძლევთ წარმოდგენას ჩვენი ულტრაბგერითი პროცესორების მიახლოებითი დამუშავების სიმძლავრეზე:

პარტიის მოცულობა	მოცულობითი ხარჯი	რეკომენდებული მოწყობილობები
0,5 to 1,5mL	n.a.	VialTweeter
1 to 500mL	10 to 200mL/min	UP100H
10 to 2000mL	20 to 400mL/min	UP200Ht, UP400St
0,1 to 20L	0,2 to 4L/min	UIP2000hdT
10 to 100L	2 to 10L/min	UIP4000hdT
n.a.	10 to 100L/min	UIP16000
n.a.	უფრო დიდი	კლასტერი UIP16000

დაგვიკავშირდით! / დაგვისვით!

მოითხოვეთ დამატებითი ინფორმაცია

გთხოვთ, გამოიყენოთ ქვემოთ მოცემული ფორმა გრაფენის ექსფოლიაციისთვის განკუთვნილი ულტრაბგერითი აპარატების, პროტოკოლებისა და ფასების შესახებ დამატებითი ინფორმაციის მოსათხოვად. სიამოვნებით განვიხილავთ თქვენთან ერთად გრაფენის წარმოების თქვენს პროცესს და შემოგთავაზებთ ულტრაბგერით სისტემას, რომელიც აკმაყოფილებს თქვენს მოთხოვნებს!

ელფოსტის მისამართი (სავალდებულო)

ტელეფონის ნომერი

სახელი

ინტერესის სფერო

ნანოსკროლების მომზადება

ნახშირბადის ნანოსკროლები მრავალკედოვან ნახშირბადის ნანომილაკებს ჰგავს. განსხვავება MWCNT-ებისგან მდგომარეობს ღია წვერებსა და შიდა ზედაპირების სრულ ხელმისაწვდომობაში სხვა მოლეკულებისთვის. ისინი შეიძლება სინთეზირდეს ქიმიურად (wet-chemically) გრაფიტის კალიუმით ინტერკალაციის, წყალში ექსფოლიაციის და კოლოიდური სუსპენზიის ულტრაბგერითი დამუშავების გზით. (იხ. Viculis et al. 2003) ულტრაბგერითი დამუშავება ხელს უწყობს გრაფენის მონოშრეების ნახშირბადის ნანოსკროლებად გადახვევას (იხ. ქვემოთ მოცემული გრაფიკა). მიღწეულია მაღალი, 80%-იანი კონვერსიის ეფექტურობა, რაც ნანოსკროლების წარმოებას კომერციული გამოყენებისთვის საინტერესოს ხდის.

ნახშირბადის ნანოსკროლების ულტრაბგერითად დახმარებული სინთეზი

ნახშირბადის ნანოსკროლების ულტრაბგერითი სინთეზი (Viculis et al. 2003)

ნანოზოლების მომზადება

ჰონგჯიე დაისა და მისი კოლეგების სამეცნიერო ჯგუფმა სტენფორდის უნივერსიტეტიდან ნანოზოლების მომზადების ტექნიკა შეიმუშავა. გრაფენის ზოლები გრაფენის თხელი ზოლებია, რომლებსაც შეიძლება გრაფენის ფურცლებზე უფრო სასარგებლო თვისებები ჰქონდეთ. დაახლოებით 10 nm ან მცირე სიგანისას გრაფენის ზოლების ქცევა ნახევარგამტარის მსგავსია, რადგან ელექტრონები იძულებულნი არიან სიგრძივ იმოძრაონ. შესაბამისად, საინტერესო იქნება ნახევარგამტარის მსგავსი ფუნქციების მქონე ნანოზოლების გამოყენება ელექტრონიკაში (მაგ. უფრო მცირე, უფრო სწრაფი კომპიუტერული ჩიპებისთვის).
დაისა და თანაავტორების გრაფენის ნანოზოლების მომზადება ორ ეტაპზეა დაფუძნებული: პირველ რიგში, მათ გრაფიტიდან გრაფენის ფენები გაათავისუფლეს 1000ºC სითბური დამუშავებით ერთი წუთის განმავლობაში არგონის გაზში 3% წყალბადის პირობებში. შემდეგ, გრაფენი ულტრაბგერითი დამუშავების გამოყენებით ზოლებად დაიშალა. ამ ტექნიკით მიღებული ნანოზოლები ხასიათდება ბევრად „უფრო გლუვი“ კიდეებით, ვიდრე ჩვეულებრივი ლითოგრაფიული საშუალებებით დამზადებული ზოლები. (Jiao et al. 2009)

სრული სტატიის ჩამოტვირთვა PDF ფორმატში აქ:
ულტრაბგერითი დახმარებით გრაფენის წარმოება

დაკავშირებული თემები

ცნობის ღირსი ფაქტები

რა არის გრაფენი?

გრაფიტი შედგება sp2-ჰიბრიდიზებული, ექსაგონალურად განლაგებული ნახშირბადის ატომების ორგანზომილებიანი ფურცლებისგან – გრაფენისგან – რომლებიც რეგულარულად არის დაწყობილი. გრაფენის ატომის სისქის ფურცლები, რომლებიც გრაფიტს არაბმულიანი ურთიერთქმედებებით ქმნიან, ხასიათდება უკიდურესად დიდი ზედაპირის ფართობით. გრაფენი ავლენს უნიკალურ სიმტკიცესა და მდგრადობას თავის ბაზალურ დონეებზე, რაც დაახლოებით 1020 GPa-ს აღწევს, რითაც ალმასის სიმტკიცის მნიშვნელობას თითქმის უტოლდება.
გრაფენი არის ზოგიერთი ალოტროპის ძირითადი სტრუქტურული ელემენტი, მათ შორის, გრაფიტის გარდა, ასევე ნახშირბადის ნანომილაკები და ფულერენები. დამატებად გამოყენებისას, გრაფენი შეუძლია მკვეთრად გააუმჯობესოს პოლიმერული კომპოზიტების ელექტრული, ფიზიკური, მექანიკური და ბარიერული თვისებები უკიდურესად დაბალი დატვირთვის პირობებში. (Xu, Suslick 2011)
თავისი თვისებების გამო, გრაფენი სუპერლატივების მქონე მასალაა და შესაბამისად, პერსპექტიულია კომპოზიტების, საფარების ან მიკროელექტრონიკის მწარმოებელი ინდუსტრიებისთვის. Geim (2009) მოკლედ აღწერს გრაფენს, როგორც სუპერმასალას შემდეგ პარაგრაფში:
„ეს არის ყველაზე თხელი მასალა სამყაროში და ყველაზე ძლიერი, რაც ოდესმე გაზომილა. მისი მუხტის მატარებლები ავლენენ გიგანტურ შინაგან მობილურობას, აქვთ უმცირესი ეფექტური მასა (ის ნულის ტოლია) და შეუძლიათ მიკრომეტრის სიგრძის მანძილის გავლა გაბნევის გარეშე ოთახის ტემპერატურაზე. გრაფენს შეუძლია გაუძლოს დენის სიმკვრივეებს, რომლებიც სპილენძზე 6 რიგით მაღალია, ავლენს რეკორდულ თბოგამტარობასა და სიხისტეს, გაზებისთვის შეუღწევადია და აერთიანებს ისეთ წინააღმდეგობრივ თვისებებს, როგორიცაა სიმყიფე და დრეკადობა. ელექტრონული ტრანსპორტი გრაფენში აღიწერება დირაკის მსგავსი განტოლებით, რაც საშუალებას იძლევა რელატივისტური კვანტური ფენომენების შესწავლა მაგიდის ზომის ექსპერიმენტში.“
ამ გამორჩეული მასალური თვისებების გამო, გრაფენი არის ერთ-ერთი ყველაზე პერსპექტიული მასალა და დგას ნანომასალების კვლევის ცენტრში.

გრაფენის პოტენციური გამოყენების არეალი

ბიოლოგიური გამოყენებები: მაგალითი ულტრაბგერითი გრაფენის მომზადებისა და მისი ბიოლოგიური გამოყენების შესახებ მოცემულია Park et al. (2011)-ის კვლევაში „გრაფენ-ოქროს ნანოკომპოზიტების სინთეზი სონოქიმიური აღდგენის გზით“, სადაც აღდგენილი გრაფენის ოქსიდისა და ოქროს (Au) ნანონაწილაკების ნანოკომპოზიტი სინთეზირებული იქნა ოქროს იონების პარალელური აღდგენით და ოქროს ნანონაწილაკების პარალელური დალექვით აღდგენილი გრაფენის ოქსიდის ზედაპირზე. ოქროს იონების აღდგენისა და ჟანგბადის ფუნქციური ჯგუფების წარმოქმნის ხელშეწყობის მიზნით, ოქროს ნანონაწილაკების აღდგენილ გრაფენის ოქსიდზე დასაჯაგრებლად, რეაგენტების ნარევზე ულტრაბგერითი გამოსხივება იქნა გამოყენებული. ოქრო-შემაკავშირებელი პეპტიდით მოდიფიცირებული ბიომოლეკულების წარმოება აჩვენებს გრაფენისა და გრაფენის კომპოზიტების ულტრაბგერითი გამოსხივების პოტენციალს. შესაბამისად, ულტრაბგერა სხვა ბიომოლეკულების მომზადებისთვის შესაფერისი ინსტრუმენტი ჩანს.
ელექტრონიკა: გრაფენი ელექტრონული სექტორისთვის მაღალფუნქციური მასალაა. მუხტის მატარებლების მაღალი მოძრაობის უნარის გამო გრაფენის ბადეში, გრაფენი უდიდეს ინტერესს იწვევს სწრაფი ელექტრონული კომპონენტების განვითარებისთვის მაღალსიხშირიან ტექნოლოგიებში.
სენსორები: ულტრაბგერითი ექსფოლიაციით მიღებული გრაფენი შეიძლება გამოიყენებოდეს მაღალმგრძნობიარე და სელექციური კონდუქტომეტრიული სენსორების წარმოებისთვის (რომელთა წინაღობა ეთანოლის გაჯერებულ ორთქლში სწრაფად იცვლება >10 000%-ით), და ულტრაკონდენსატორებისთვის, რომლებსაც აქვთ უკიდურესად მაღალი კუთრი ტევადობა (120 F/g), სიმძლავრის სიმკვრივე (105 kW/kg) და ენერგიის სიმკვრივე (9,2 Wh/kg). (An et al. 2010)
ალკოჰოლი: ალკოჰოლის წარმოებისთვის: გვერდითი გამოყენება შეიძლება იყოს გრაფენის გამოყენება ალკოჰოლის წარმოებაში, სადაც გრაფენის მემბრანები შეიძლება გამოიყენებოდეს ალკოჰოლის დისტილაციისთვის და ამ გზით ალკოჰოლური სასმელების უფრო ძლიერი გახდომისთვის.
როგორც ყველაზე ძლიერი, ყველაზე ელექტროგამტარი და ერთ-ერთი ყველაზე მსუბუქი და მოქნილი მასალებიდან, გრაფენი პერსპექტიული მასალაა მზის უჯრედებისთვის, კატალიზისთვის, გამჭვირვალე და ემისიური დისპლეებისთვის, მიკრომექანიკური რეზონატორებისთვის, ტრანზისტორებისთვის, კათოდის როლში ლითიუმ-ჰაერის ბატარეებში, ულტრამგრძნობიარე ქიმიური დეტექტორებისთვის, გამტარი საფარებისთვის, ასევე კომპოზიტებში დანამატის როლში გამოყენებისთვის.

მაღალი სიმძლავრის ულტრაბგერის მოქმედების პრინციპი

როდესაც სითხეები მაღალი ინტენსივობის ულტრაბგერით მუშავდება, თხევად გარემოში გავრცელებული ბგერითი ტალღები იწვევს მაღალი წნევის (კუმშვის) და დაბალი წნევის (გაიშვიათების) ციკლების მონაცვლეობას, რომლის სიჩქარეც სიხშირეზეა დამოკიდებული. დაბალი წნევის ციკლის დროს მაღალი ინტენსივობის ულტრაბგერითი ტალღები სითხეში ქმნის მცირე ვაკუუმურ ბუშტუკებს ან ღრუებს. როდესაც ბუშტუკები აღწევს ისეთ მოცულობას, რომ ენერგიის შთანთქმა აღარ შეუძლია, ისინი მაღალი წნევის ციკლის დროს მკვეთრად კოლაფსირდება. ამ მოვლენას კავიტაცია ეწოდება. იმპლოზიის დროს ადგილობრივად მიიღწევა ძალიან მაღალი ტემპერატურა (დაახლ. 5 000K) და წნევა (დაახლ. 2 000atm). კავიტაციის ბუშტუკის იმპლოზია ასევე წარმოქმნის სითხის ჭავლებს, რომელთა სიჩქარეც 280m/s-მდე აღწევს. (Suslick 1998) ულტრაბგერით წარმოქმნილი კავიტაცია იწვევს ქიმიურ და ფიზიკურ ეფექტებს, რომელთა გამოყენებაც შესაძლებელია სხვადასხვა პროცესში.
კავიტაციით გამოწვეული სონოქიმია უზრუნველყოფს ენერგიისა და მატერიის უნიკალურ ურთიერთქმედებას, ბუშტუკების შიგნით დაახლოებით 5000 K ცხელი წერტილებით, დაახლოებით 1000 bar წნევით, >1010K s-1 გათბობისა და გაცივების სიჩქარეებით; ეს ექსტრადინარული პირობები საშუალებას იძლევა მივიღოთ წვდომა ქიმიური რეაქციების სივრცის ფართო დიაპაზონზე, რომელიც ჩვეულებრივ მიუწვდომელია, რაც საშუალებას იძლევა სინთეზირდეს უჩვეულო ნანოსტრუქტურული მასალების ფართო სპექტრი. (Bang 2010)

ლიტერატურა / გამოყენებული წყაროები

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.

მაღალი წარმადობის ულტრაბგერა! Hielscher-ის პროდუქციის სპექტრი მოიცავს სრულ დიაპაზონს კომპაქტური ლაბორატორიული ულტრაბგერითი ჰომოგენიზატორიდან სკამის ზომის აპარატებამდე და სრულ სამრეწველო ულტრაბგერით სისტემებამდე.

Hielscher Ultrasonics აწარმოებს მაღალი წარმადობის ულტრაბგერით ჰომოგენიზატორებს ლაბორატორიული ზომიდან დაწყებული სამრეწველო ზომით დამთავრებული.