Ksēnu eksfoliācija ar ultraskaņu

Ksēni ir 2D monoelementu nanomateriāli ar neparastām īpašībām, piemēram, ļoti lielu virsmas laukumu un anizotropām fizikālajām / ķīmiskajām īpašībām, tostarp izcilu elektrovadītspēju vai stiepes izturību. Eksfoliācija jeb atslāņošana ar ultraskaņu ir efektīva un uzticama metode vienslāņa 2D nanolokšņu iegūšanai no slāņainiem izejmateriāliem. Eksfoliācija ar ultraskaņu jau ir nostiprinājusies kā metode augstas kvalitātes ksēnu nanolokšņu ražošanai rūpnieciskā mērogā.

Ksēni – vienslāņa nanostruktūras

Ksēni ir vienslāņa (2D) monoelementu nanomateriāli, kam raksturīga grafēnam līdzīga struktūra, kovalentās saites slāņa iekšienē un vāji van der Vālsa spēki starp slāņiem. Ksēnu klasei piederošu materiālu piemēri ir borofēns, silicēns, germanēns, stanēns, fosforēns (melnais fosfors), arsenēns, bismutēns, telurēns un antimonēns. Pateicoties vienslāņa 2D struktūrai, ksēnu nanomateriāliem ir raksturīgs ļoti liels virsmas laukums, kā arī uzlabota ķīmiskā un fizikālā reaģētspēja. Šīs struktūras īpatnības piešķir ksēnu nanomateriāliem iespaidīgas fotoniskās, katalītiskās, magnētiskās un elektroniskās īpašības un padara šīs nanostruktūras ļoti interesantas daudziem rūpnieciskiem lietojumiem. Attēlā pa kreisi redzami ar ultraskaņu eksfoliēta borofēna SEM attēli.

Ksēnu nanomateriālu ražošana, izmantojot atslāņošanu ar ultraskaņu

Slāņainu nanomateriālu eksfoliācija šķidrumā: Vienslāņa 2D nanoloksnes iegūst no neorganiskiem materiāliem ar slāņainu struktūru (piemēram, grafīta), ko veido vāji sakrauti pamatmateriāla slāņi, starp kuriem, interkalējoties noteiktiem joniem un/vai šķīdinātājiem, paplašinās starpslāņu telpa vai notiek uzbriešana. Eksfoliācija, kuras laikā slāņainā fāze tiek sašķelta nanoloksnēs, parasti pavada uzbriešanu, jo strauji vājinās elektrostatiskā pievilkšanās starp slāņiem, veidojot atsevišķu 2D slāņu vai lokšņu koloidālās dispersijas. (sk. Geng et al, 2013) Kopumā ir zināms, ka uzbriešana atvieglo eksfoliāciju ar ultraskaņu un rezultātā veidojas negatīvi lādētas nanoloksnes. Arī ķīmiskā priekšapstrāde atvieglo eksfoliāciju, veicot apstrādi ar ultraskaņu šķīdinātājos. Piemēram, funkcionalizācija ļauj veikt slāņaino dubulthidroksīdu (LDH) eksfoliāciju spirtos. (sk. Nicolosi et al., 2013)
Lai veiktu eksfoliāciju / atslāņošanu ar ultraskaņu, slāņaino materiālu šķīdinātājā pakļauj spēcīgu ultraskaņas viļņu iedarbībai. Kad šķidrumā vai suspensijā tiek ievadīti ultraskaņas viļņi ar lielu enerģijas blīvumu, rodas akustiskā jeb ultraskaņas kavitācija. Ultraskaņas kavitācijai raksturīga vakuuma burbuļu sabrukšana. Ultraskaņas viļņi izplatās šķidrumā un rada pārmaiņus zema spiediena / augsta spiediena ciklus. Sīkie vakuuma burbuļi rodas zema spiediena (retinājuma) cikla laikā un aug vairāku zema spiediena / augsta spiediena ciklu gaitā. Kad kavitācijas burbulis sasniedz stāvokli, kurā tas vairs nespēj absorbēt papildu enerģiju, burbulis strauji implodē un lokāli rada apstākļus ar ļoti lielu enerģijas blīvumu. Kavitācijas karstajam punktam raksturīgs ļoti augsts spiediens un temperatūra, attiecīgas spiediena un temperatūras starpības, ātrgaitas šķidruma strūklas un bīdes spēki. Šie sonomehāniskie un sonoķīmiskie spēki iespiež šķīdinātāju starp sakrautajiem slāņiem un sašķeļ slāņainās daļiņu un kristāliskās struktūras, tādējādi veidojot eksfoliētas nanoloksnes. Tālāk redzamā attēlu secība demonstrē eksfoliācijas procesu ultraskaņas kavitācijas iedarbībā.

Ātrgaitas kadru secība (no a līdz f), kas ilustrē grafīta pārslas sonomehānisku eksfoliāciju ūdenī, izmantojot UP200S, 200W ultraskaņas ierīci ar 3-mm sonotrodi. Bultiņas norāda šķelšanās (eksfoliācijas) vietu, kur plaisā iekļūst kavitācijas burbuļi.
© Tyurnina et al. 2020 (CC BY-NC-ND 4.0)

Modelēšana ir parādījusi, ka tad, ja šķīdinātāja virsmas enerģija ir līdzīga slāņainā materiāla virsmas enerģijai, enerģijas starpība starp eksfoliēto un atkārtoti agregēto stāvokli būs ļoti maza, novēršot atkārtotas agregācijas virzītājspēku. Salīdzinājumā ar alternatīvām maisīšanas un bīdes metodēm ultraskaņas maisītāji nodrošināja efektīvāku enerģijas avotu eksfoliācijai, ļaujot demonstrēt jonu interkalācijas veicinātu TaS₂, NbS₂ un MoS₂, kā arī slāņainu oksīdu eksfoliāciju. (sal. Nicolosi et al., 2013)

Ar ultraskaņu šķidrajā fāzē eksfoliētu nanoplāksnīšu TEM attēli: (A) Grafēna nanoplāksnīte, kas eksfoliēta, apstrādājot ar ultraskaņu šķīdinātājā N-metilpirolidonā. (B) h-BN nanoplāksnīte, kas eksfoliēta, apstrādājot ar ultraskaņu šķīdinātājā izopropanolā. (C) MoS2 nanoplāksnīte, kas eksfoliēta, apstrādājot ar ultraskaņu virsmaktīvās vielas ūdens šķīdumā.
(Pētījums un attēli: ©Nicolosi et al., 2013)

Ultraskaņas eksfoliācijas protokoli šķidrajā fāzē

Ksenēnu un citu vienslāņa nanomateriālu eksfoliācija un atslāņošana ar ultraskaņu ir plaši pētīta un veiksmīgi ieviesta rūpnieciskajā ražošanā. Turpmāk piedāvājam atlasītus eksfoliācijas protokolus, kuros izmanto apstrādi ar ultraskaņu.

Fosforēna nanopārslu eksfoliācija ar ultraskaņu

Fosforēns (pazīstams arī kā melnais fosfors, BP) ir 2D slāņains viena elementa materiāls, ko veido fosfora atomi.
Passaglia et al. (2018) pētījumā demonstrēta stabilu fosforēna un metilmetakrilāta suspensiju iegūšana, veicot bP eksfoliāciju šķidrajā fāzē (LPE) ar ultraskaņas palīdzību MMA klātbūtnē un pēc tam radikāļu polimerizāciju. Metilmetakrilāts (MMA) ir šķidrs monomērs.

Fosforēna ultraskaņas eksfoliācijas protokols šķidrajā fāzē

MMA_bPn, NVP_bPn un Sty_bPn suspensijas ieguva ar LPE, izmantojot tikai attiecīgo monomēru. Tipiskā procedūrā ∼5 mg bP, kas bija rūpīgi sasmalcināts piestā, ievietoja mēģenē un pēc tam pievienoja nosvērtu MMA, Sty vai NVP daudzumu. bP suspensiju monomērā apstrādāja ar ultraskaņu 90 min, izmantojot Hielscher Ultrasonics homogenizatoru UP200St (200W, 26kHz), kas aprīkots ar sonotrodi S26d2 (uzgaļa diametrs: 2 mm). Ultraskaņas amplitūdu uzturēja nemainīgu 50% līmenī pie P = 7 W. Visos gadījumos izmantoja ledus vannu, lai uzlabotu siltuma novadīšanu. Pēc tam caur iegūtajām MMA_bPn, NVP_bPn un Sty_bPn suspensijām 15 min pūta N2. Visas suspensijas analizēja ar DLS, un to rH vērtības bija ļoti tuvas DMSO_bPn rH vērtībai. Piemēram, MMA_bPn suspensiju (ar aptuveni 1% bP saturu) raksturoja rH = 512 ± 58 nm.
Kamēr citos zinātniskos pētījumos par fosforēnu ziņots par vairākas stundas ilgu apstrādi ar ultraskaņu, izmantojot ultraskaņas tīrīšanas vannu un šķīdinātājus ar augstu viršanas temperatūru, kā arī par zemu efektivitāti, Passaglia pētnieku grupa demonstrē ļoti efektīvu ultraskaņas eksfoliācijas protokolu, izmantojot zondes tipa ultraskaņas aparātu (proti, Hielscher ultraskaņas aparāta modeli UP200St).

Vienslāņa nanoplāksnīšu eksfoliācija ar ultraskaņu

Lai uzzinātu sīkāku informāciju un iepazītos ar borofēna un rutēnija oksīda nanoplāksnīšu eksfoliācijas protokoliem, izmantojiet tālāk norādītās saites:
Borofēns: Lai iepazītos ar apstrādes ar ultraskaņu protokoliem un borofēna eksfoliācijas ar ultraskaņu rezultātiem, noklikšķiniet šeit!
RuO2: Lai iepazītos ar apstrādes ar ultraskaņu protokoliem un rutēnija oksīda nanoplāksnīšu eksfoliācijas ar ultraskaņu rezultātiem, noklikšķiniet šeit!

Dažu slāņu silīcija dioksīda nanoplāksnīšu eksfoliācija ar ultraskaņu

Dažu slāņu eksfoliētas silīcija dioksīda nanoloksnes tika iegūtas no dabiskā vermikulīta (Verm), izmantojot ultraskaņas eksfoliāciju. Eksfoliētu silīcija dioksīda nanolokšņu sintēzei tika izmantota šāda šķidrās fāzes eksfoliācijas metode: 40 mg silīcija dioksīda nanolokšņu tika disperģētas 40 mL absolūtā etanola. Pēc tam maisījums tika apstrādāts ar ultraskaņu 2 h, izmantojot Hielscher ultraskaņas procesoru UP200St, kas aprīkots ar 7 mm sonotrodi. Ultraskaņas viļņa amplitūda tika uzturēta nemainīga – 70%. Lai izvairītos no pārkaršanas, tika izmantota ledus vanna. Neeksfoliētās SN tika atdalītas, centrifugējot ar 1000 rpm 10 min. Visbeidzot produkts tika dekantēts un žāvēts vakuumā istabas temperatūrā visu nakti. (sk. Guo et al., 2022)

Lieljaudas ultraskaņas zondes un reaktori ksēnu nanolokšņu eksfoliācijai

Hielscher Ultrasonics projektē, ražo un izplata izturīgas un uzticamas visu izmēru ultraskaņas ierīces. No kompaktām laboratorijas ultraskaņas ierīcēm līdz rūpnieciskām ultraskaņas zondēm un reaktoriem – Hielscher piedāvā ideālu ultraskaņas sistēmu jūsu procesam. Mūsu labi apmācītie darbinieki ar ilggadēju pieredzi tādos lietojumos kā nanomateriālu sintēze un disperģēšana ieteiks jūsu prasībām vispiemērotāko aprīkojuma konfigurāciju. Hielscher rūpnieciskie ultraskaņas procesori ir pazīstami kā uzticami darba zirgi rūpnieciskās ražotnēs. Hielscher ultraskaņas ierīces spēj nodrošināt ļoti lielas amplitūdas un ir ideāli piemērotas augstas veiktspējas lietojumiem, piemēram, ksēnu un citu 2D vienslāņa nanomateriālu, piemēram, borofēna, fosforēna vai grafēna, sintēzei, kā arī šo nanostruktūru uzticamai disperģēšanai.
Ārkārtīgi jaudīga ultraskaņa: Hielscher Ultrasonics rūpnieciskie ultraskaņas procesori spēj nodrošināt ļoti lielas amplitūdas. Amplitūdas līdz pat 200µm var viegli uzturēt nepārtraukti 24/7 darbības režīmā. Vēl lielākām amplitūdām ir pieejamas pēc pasūtījuma izgatavotas ultraskaņas sonotrodes.
Visaugstākā kvalitāte – projektēts un ražots Vācijā: Viss aprīkojums tiek projektēts un ražots mūsu galvenajā mītnē Vācijā. Pirms piegādes klientam katra ultraskaņas ierīce tiek rūpīgi pārbaudīta ar pilnu slodzi. Mēs tiecamies panākt klientu apmierinātību, un mūsu ražošana ir organizēta tā, lai atbilstu visaugstākajām kvalitātes nodrošināšanas prasībām (piemēram, ISO sertifikācijai).

Tālāk sniegtā tabula ļauj gūt priekšstatu par mūsu ultraskaņas ierīču aptuveno apstrādes jaudu: