Xenes ir 2D monoelementu nanomateriāli ar neparastām īpašībām, piemēram, ļoti augstu virsmas laukumu, anizotropām fizikālām / ķīmiskām īpašībām, tostarp izcilu elektrisko vadītspēju vai stiepes izturību. Ultraskaņas pīlings vai delaminācija ir efektīva un uzticama tehnika, lai ražotu viena slāņa 2D nano lapas no daudzslāņu prekursoru materiāliem. Ultraskaņas pīlings jau ir izveidots augstas kvalitātes ksenes nanolokšņu ražošanai rūpnieciskā mērogā.

Xenes – Monoslāņu nanostruktūras

Xenes ir monoslānis (2D), monoelementu nanomateriāli, kuriem ir grafēnam līdzīga struktūra, iekšējā slāņa kovalentā saite un vāji van der Waals spēki starp slāņiem. Piemēri materiāliem, kas ietilpst xenes klasē, ir borofēns, silicēns, germānis, stenēns, fosfors (melnais fosfors), arsenēns, bismutēns, tellurons un antimonēns. Pateicoties vienslāņa 2D struktūrai, ksenes nanomateriāli ir apogļoti ar ļoti lielu virsmu, kā arī uzlabotu ķīmisko un fizisko reaktivitāti. Šīs strukturālās īpašības piešķir xenes nanomateriāliem iespaidīgas fotonikas, katalītiskas, magnētiskas un elektroniskas īpašības un padara šīs nanostruktūras ļoti interesantas daudziem rūpnieciskiem lietojumiem. Attēlā pa kreisi redzami ultrasoniski pīlinga borofēna SEM attēli.

Xenes nanomateriālu ražošana, izmantojot ultraskaņas delamināciju

Daudzslāņu nanomateriālu šķidrais pīlings: Viena slāņa 2D nanoloksnes tiek ražotas no neorganiskiem materiāliem ar slāņveida konstrukcijām (piemēram, grafītu), kas sastāv no brīvi sakrautiem saimniekslāņiem, kas parāda galerijas izplešanos no slāņa līdz slānim vai pietūkumu, sasitot noteiktus jonus un/vai šķīdinātājus. Pīlings, kurā slāņainā fāze tiek sašķelta nanoloksnēs, parasti pavada pietūkumu, jo strauji novājinātas elektrostatiskās atrakcijas starp slāņiem, kas rada atsevišķu 2D slāņu vai lokšņu koloidālās dispersijas. (sal. ar Geng et al, 2013) Kopumā ir zināms, ka pietūkums atvieglo pīlingu, izmantojot ultrasonication, un rada negatīvi uzlādētas nano lapas. Ķīmiskā pirmapstrāde arī atvieglo pīlingu, izmantojot ultraskaņu šķīdinātājos. Piemēram, funkcionalizācija ļauj pīlings slāņaino dubulto hidroksīdu (LDH) spirtos. (sal. ar Nicolosi et al., 2013)
Ultraskaņas pīlingam / delaminācijai slāņainais materiāls ir pakļauts spēcīgiem ultraskaņas viļņiem šķīdinātājā. Kad enerģētiski blīvi ultraskaņas viļņi ir savienoti šķidrumā vai vircā, rodas akustiskā aka ultraskaņas kavitācija. Ultraskaņas kavitāciju raksturo vakuuma burbuļu sabrukums. Ultraskaņas viļņi pārvietojas caur šķidrumu un rada mainīgus zema spiediena / augsta spiediena ciklus. Minūte vakuuma burbuļi rodas zema spiediena (rarefaction) cikla laikā un aug dažādos zema spiediena / augsta spiediena ciklos. Kad KAVITĀCIJAS burbulis sasniedz punktu, kur tas nevar absorbēt papildu enerģiju, burbulis spēcīgi implodē un rada lokāli ļoti enerģētiski blīvus apstākļus. KAVITĀCIJAS karsto punktu nosaka ļoti augsts spiediens un temperatūra, attiecīgie spiedieni un temperatūras diferenciāļi, ātrgaitas šķidruma strūklas un bīdes spēki. Šie sonomehāniskie un sonoķīmiskie spēki nospiež šķīdinātāju starp saliktajiem slāņiem un sadalītajām slāņainajām daļiņu un kristāliskajām struktūrām, tādējādi radot lobītas nanoloksnes. Zemāk redzamā attēla secība parāda pīlinga procesu ar ultraskaņas kavitāciju.

Liela ātruma sekvence (no a līdz f) rāmjiem, kas ilustrē grafīta pārslas sonomehānisku lobīšanos ūdenī, izmantojot UP200S, 200W ultrasonikators ar 3 mm sonotrode. Bultiņas parāda sadalīšanas (pīlinga) vietu ar kavitācijas burbuļiem, kas iekļūst šķelšanās.
© Tyurnina et al. 2020 (CC BY-NC-ND 4.0)

Modelēšana ir parādījusi, ka, ja šķīdinātāja virsmas enerģija ir līdzīga slāņainā materiāla virsmas enerģijai, enerģijas atšķirība starp lobītajiem un pārdalītajiem stāvokļiem būs ļoti maza, noņemot pārgrupēšanas dzinējspēku. Salīdzinot ar alternatīvām maisīšanas un nobīdes metodēm, ultraskaņas maisītāji nodrošināja efektīvāku enerģijas avotu pīlingam, kā rezultātā tika demonstrēta jonu interkalācija-atbalstīta TaS pīlings₂, NbS₂, un MoS₂, kā arī daudzslāņu oksīdi. (sal. ar Nicolosi et al., 2013)

TEM attēli ar ultrasoniski šķidrām lobītām nanoloksnēm: (A) Grafēna nanolapa, kas lobīta ar ultraskaņu šķīdinātājā N-metil-pirolidonā. (B) h-BN nanoloksne, ko loba ar ultraskaņu ekstrahē ar ultraskaņu šķīdinātāja izopropanolā. (C) MoS2 nanolapa, kas lobīta ar ultraskaņu ūdens virsmaktīvās vielas šķīdumā.
(Pētījums un attēli: ©Nicolosi et al., 2013)

Ultraskaņas šķidruma pīlinga protokoli

Ksēnu un citu monoslāņu nanomateriālu ultraskaņas pīlings un delaminācija ir plaši pētīta pētniecībā un veiksmīgi pārnesta uz rūpnieciskās ražošanas posmu. Zemāk mēs piedāvājam jums atlasītus pīlinga protokolus, izmantojot ultraskaņu.

Fosforēna nanoflaku ultraskaņas pīlings

Fosfors (pazīstams arī kā melnais fosfors BP) ir 2D slāņains, monoelementu materiāls, kas veidojas no fosfora atomiem.
Passaglia et al. pētījumā (2018) (2018) ir pierādīta stabilu fosforēna – metilmetakrilāta suspensiju sagatavošana, izmantojot bP šķidrās fāzes pīlingu ar ultraskaņu (LPE) MMA klātbūtnē, kam seko radikāla polimerizācija. Metilmetakrilāts (MMA) ir šķidrs monomērs.

Fosforēna ultraskaņas šķidruma pīlinga protokols

MMA_bPn, NVP_bPn un Sty_bPn suspensijas ieguva LPE vienīgā monomēra klātbūtnē. Tipiskā procedūrā ∼5 mg bP, kas rūpīgi sasmalcināts javā, tika ievietots mēģenē un pēc tam tika pievienots svērtais MMA, Sty vai NVP daudzums. Monomēra bP suspensija tika apstrādāta ar ultraskaņu 90 minūtes, izmantojot Hielscher Ultrasonics homogenizatoru UP200St (200W, 26kHz), kas aprīkots ar sonotrode S26d2 (gala diametrs: 2 mm). Ultraskaņas amplitūda tika uzturēta nemainīga 50% ar P = 7 W. Visos gadījumos siltuma izkliedes uzlabošanai tika izmantota ledus vanna. Pēdējās MMA_bPn, NVP_bPn un Sty_bPn balstiekārtas pēc tam 15 min tika apslāpētas ar N2. Visas suspensijas analizēja DLS, parādot rH vērtības, kas patiešām ir tuvas DMSO_bPn vērtībām. Piemēram, MMA_bPn suspensiju (kam ir aptuveni 1% bP satura) raksturoja rH = 512 ± 58 nm.
Lai gan citi zinātniskie pētījumi par fosforēnu ziņo par ultraskaņas laiku vairākas stundas, izmantojot ultraskaņas tīrītāju, augstas viršanas temperatūras šķīdinātājus un zemu efektivitāti, Passaglia pētnieku komanda demonstrē ļoti efektīvu ultraskaņas pīlinga protokolu, izmantojot zondes tipa ultrasonikatoru (proti, Hielscher ultrasonicator modelis UP200St)

Monoslāņa nanolapu ultraskaņas pīlings

Lai lasītu sīkāku informāciju un pīlinga protokolus par borofēna un rutēnija oksīda nanolapām, lūdzu, sekojiet tālāk norādītajām saitēm:
Borophene: Lai iegūtu ultraskaņas protokolus un ultraskaņas borofēna pīlinga rezultātus, lūdzu, noklikšķiniet šeit!
RuO2: Lai iegūtu ultraskaņas protokolus un ultraskaņas rutēnija oksīda nanolapas pīlinga rezultātus, lūdzu, noklikšķiniet šeit!

Dažu slāņu silīcija dioksīda nanolokšņu ultraskaņas pīlings

Dažu slāņu pīlinga silīcija dioksīda nanolapas tika sagatavotas no dabiskā vermikulīta (Verm), izmantojot ultraskaņas pīlingu. Pīlinga silīcija dioksīda nanolapu sintēzei tika izmantota šāda šķidrās fāzes pīlinga metode: 40 mg silīcija dioksīda nanolapas tika disperģētas 40 ml absolūtā etanola. Pēc tam maisījums tika ultrasonicēts 2 stundas, izmantojot Hielscher ultraskaņas procesoru UP200St, kas aprīkots ar 7 mm sonotrode. Ultraskaņas viļņa amplitūda tika saglabāta nemainīga 70%. Lai izvairītos no pārkaršanas, tika uzklāta ledus vanna. Neeksfoliēto SN noņēma centrifugējot pie 1000 apgr./min 10 min. Visbeidzot, produkts tika dekantēts un žāvēts istabas temperatūrā vakuumā nakti. (sal. ar Guo et al., 2022)

Lieljaudas ultraskaņas zondes un reaktori Xenes nanolokšņu pīlingam

Hielscher Ultrasonics projektē, ražo un izplata izturīgus un uzticamus ultrasonikatorus jebkurā izmērā. No kompaktām laboratorijas ultraskaņas ierīcēm līdz rūpnieciskām ultraskaņas zondēm un reaktoriem Hielscher ir ideāla ultraskaņas sistēma jūsu procesam. Ar ilgu pieredzi tādos lietojumos kā nanomateriālu sintēze un dispersija, mūsu labi apmācītie darbinieki ieteiks jums vispiemērotāko iestatīšanu jūsu prasībām. Hielscher rūpnieciskie ultraskaņas procesori ir pazīstami kā uzticami darba zirgi rūpnieciskās iekārtās. Spēj nodrošināt ļoti augstas amplitūdas, Hielscher ultrasonikatori ir ideāli piemēroti augstas veiktspējas lietojumiem, piemēram, ksēnu un citu 2D monoslāņu nanomateriālu, piemēram, borofēna, fosfora vai grafēna, sintēzei, kā arī šo nanostruktūru drošai dispersijai.
Ārkārtīgi jaudīga ultraskaņa: Hielscher Ultraskaņas’ rūpnieciskie ultraskaņas procesori var nodrošināt ļoti augstas amplitūdas. Amplitūdas līdz 200 μm var viegli nepārtraukti darbināt 24/7 darbībā. Vēl augstākām amplitūdām ir pieejami pielāgoti ultraskaņas sonotrodi.
Augstākā kvalitāte – Izstrādāts un ražots Vācijā: Visas iekārtas ir projektētas un ražotas mūsu galvenajā galvenajā punktā Vācijā. Pirms piegādes klientam katra ultraskaņas ierīce tiek rūpīgi pārbaudīta ar pilnu slodzi. Mēs tiecamies pēc klientu apmierinātības, un mūsu produkcija ir strukturēta tā, lai tā atbilstu visaugstākajai kvalitātes nodrošināšanai (piemēram, ISO sertifikācijai).

Zemāk redzamā tabula sniedz norādes par mūsu ultraskaņas aparātu aptuveno apstrādes jaudu: