Xenes ultraskaņas pīlings

Xenes ir 2D monoelementāri nanomateriāli ar neparastām īpašībām, piemēram, ļoti lielu virsmas laukumu, anizotropām fizikālām/ķīmiskām īpašībām, tostarp izcilu elektrovadītspēju vai stiepes izturību. Ultraskaņas pīlings vai delaminācija ir efektīva un uzticama metode, lai ražotu viena slāņa 2D nanolapas no slāņveida prekursoru materiāliem. Ultraskaņas pīlings jau ir izveidots augstas kvalitātes ksenes nanosheets ražošanai rūpnieciskā mērogā.

Ksenes – Vienslāņu nanostruktūras

Xenes ir monoslānis (2D), monoelementāri nanomateriāli, kuriem ir grafēnam līdzīga struktūra, starpslāņa kovalentā saite un vāji van der Vāla spēki starp slāņiem. Piemēri materiāliem, kas ietilpst ksenes klasē, ir borofēns, silicēns, germanēns, stanēns, fosforēns (melnais fosfors), arsēns, bismutēns un tellūrs un antimonēns. Pateicoties viena slāņa 2D struktūrai, ksenes nanomateriāli tiek charcterizēti ar ļoti lielu virsmu, kā arī uzlabotas ķīmiskās un fizikālās reaktivitātes. Šīs strukturālās īpašības piešķir ksēna nanomateriāliem iespaidīgas fotoniskās, katalītiskās, magnētiskās un elektroniskās īpašības un padara šīs nanostruktūras ļoti interesantas daudziem rūpnieciskiem lietojumiem. Kreisajā attēlā redzami SEM attēli ar ultrasoniski pīlinga borofēnu.

Xenes nanomateriālu ražošana, izmantojot ultraskaņas delamināciju

Daudzslāņu nanomateriālu šķidrā lobīšanās: Viena slāņa 2D nanolapas tiek ražotas no neorganiskiem materiāliem ar slāņainām struktūrām (piemēram, grafītu), kas sastāv no brīvi sakrautiem saimniekslāņiem, kuriem ir redzama slāņa-slāņa galerijas izplešanās vai pietūkums, saplūstot noteiktiem joniem un/vai šķīdinātājiem. Pīlings, kurā slāņainā fāze tiek sašķelta nanolapās, parasti pavada pietūkumu, jo starp slāņiem ir strauji novājinātas elektrostatiskās piesaistes, 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 uzlādētus nanosheets. Ķīmiskā pirmapstrāde arī atvieglo pīlingu, izmantojot ultraskaņu šķīdinātājos. Piemēram, funkcionalizācija ļauj slāņveida dubultos hidroksīdus (LDHs) lobīt spirtos. (sal. ar Nicolosi et al., 2013)
Ultraskaņas pīlingam / delaminācijai slāņainais materiāls ir pakļauts spēcīgiem ultraskaņas viļņiem šķīdinātājā. Kad enerģijas blīvi ultraskaņas viļņi tiek savienoti šķidrumā vai vircā, rodas akustiska aka ultraskaņas kavitācija. Ultraskaņas kavitāciju raksturo vakuuma burbuļu sabrukums. Ultraskaņas viļņi pārvietojas pa šķidrumu un rada mainīgus zema spiediena / augsta spiediena ciklus. Minūšu vakuuma burbuļi rodas zema spiediena (retināšanas) cikla laikā un aug dažādos zema spiediena / augsta spiediena ciklos. Kad kavitācijas burbulis sasniedz punktu, kurā 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 starpības, ātrgaitas šķidruma strūklas un bīdes spēki. Šie sonomehāniskie un sonoķīmiskie spēki nospiež šķīdinātāju starp sakrautajiem slāņiem un sadala slāņainas daļiņas un kristāliskas struktūras, tādējādi radot pīlinga nanolapas. Zemāk redzamā attēla secība parāda pīlinga procesu ar ultraskaņas kavitāciju.

Ātrdarbīga kadru secība (no a līdz f), kas ilustrē grafīta pārslas sono-mehānisko lobīšanos ūdenī, izmantojot UP200S, 200W ultrasonikators ar 3 mm sonotrode. Bultiņas parāda sadalīšanas (pīlinga) vietu ar kavitācijas burbuļiem, kas iekļūst sadalījumā.
© Tyurnina et al. 2020 (CC BY-NC-ND 4.0)

Modelēšana ir parādījusi, ka, ja šķīdinātāja virsmas enerģija ir līdzīga slāņainā materiāla enerģijai, enerģijas starpība starp pīlinga un reagregētajiem stāvokļiem būs ļoti maza, novēršot virzītājspēku atkārtotai agregācijai. Salīdzinot ar alternatīvām maisīšanas un bīdes metodēm, ultraskaņas maisītāji nodrošināja efektīvāku enerģijas avotu pīlingam, kā rezultātā tika demonstrēta jonu interkalācija-TaS pīlings₂, NbS₂, un MoS₂, kā arī slāņveida oksīdi. (sal. ar Nicolosi et al., 2013)

Ultrasoniski šķidru pīlinga nanolapu TEM attēli: (A) Grafēna nanolapa, kas pīlinga ar ultraskaņu šķīdinātājā N-metil-pirolidonā. (B) H-BN nanolapa, kas ar ultraskaņu nolobīta šķīdinātājā izopropanols. (C) MoS2 nanolapa, kas ar ultraskaņu nolobīta virsmaktīvās vielas ūdens šķīdumā.
(Pētījums un attēli: ©Nicolosi et al., 2013)

Ultraskaņas šķidruma pīlinga protokoli

Ksenes un citu monoslāņu nanomateriālu ultraskaņas pīlings un delaminācija ir plaši pētīta pētījumos un veiksmīgi pārnesta uz rūpnieciskās ražošanas posmu. Zemāk mēs iepazīstinām jūs ar izvēlētajiem pīlinga protokoliem, izmantojot ultraskaņu.

Fosforēna nanopārslu ultraskaņas pīlings

Fosforēns (pazīstams arī kā melnais fosfors, BP) ir 2D slāņains, monoelementārs materiāls, kas veidojas no fosfora atomiem.
(2018) pētījumā ir pierādīts, ka tiek sagatavotas stabilas fosforēna − metilmetakrilāta suspensijas, izmantojot ultraskaņas palīdzību šķidrās fāzes pīlings (LPE) MMA klātbūtnē, kam seko radikāla polimerizācija. Metilmetakrilāts (MMA) ir šķidrs monomērs.

Protokols fosforēna ultraskaņas šķidruma pīlingam

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 tuvu 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 zemāk esošajām 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 nanolapu ultraskaņas pīlings

Dažu slāņu pīlinga silīcija dioksīda nanolapas tika sagatavotas no dabīgā 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 nanosheets 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 ilggadēju pieredzi tādos pielietojumos kā nanomateriālu sintēze un dispersija, mūsu labi apmācītie darbinieki ieteiks jums vispiemērotāko iestatījumu jūsu prasībām. Hielscher rūpnieciskie ultraskaņas procesori ir pazīstami kā uzticami darba zirgi rūpnieciskās iekārtās. Hielscher ultrasonikatori, kas spēj nodrošināt ļoti augstas amplitūdas, ir ideāli piemēroti augstas veiktspējas lietojumiem, piemēram, ksēnu un citu 2D monoslāņu nanomateriālu, piemēram, borofēna, fosforēna vai grafēna, sintēzei, kā arī uzticamai šo nanostruktūru izkliedēšanai.
Ārkārtīgi spēcīga ultraskaņa: Hielscher Ultrasonics’ 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 sonotrodes.
Augstākā kvalitāte – Izstrādāts un ražots Vācijā: Visas iekārtas ir projektētas un ražotas mūsu galvenajā mītnē Vācijā. Pirms piegādes klientam katra ultraskaņas ierīce tiek rūpīgi pārbaudīta ar pilnu slodzi. Mēs tiecamies uz klientu apmierinātību, un mūsu produkcija ir strukturēta tā, lai izpildītu visaugstāko kvalitātes nodrošināšanu (piemēram, ISO sertifikāciju).

Zemāk redzamajā tabulā ir sniegta norāde par mūsu ultrasonikatoru aptuveno apstrādes jaudu: