Ultradźwiękowe złuszczanie ksenów

Xeny to monoelementowe nanomateriały 2D o niezwykłych właściwościach, takich jak bardzo duża powierzchnia, anizotropowe właściwości fizyczne/chemiczne, w tym doskonałe przewodnictwo elektryczne i wytrzymałość na rozciąganie. Ultradźwiękowa eksfoliacja lub delaminacja jest wydajną i niezawodną techniką wytwarzania jednowarstwowych dwuwymiarowych nanoszkieletów z warstwowych materiałów prekursorowych. Eksfoliacja ultradźwiękowa jest już stosowana w produkcji wysokiej jakości nanoszkieletów ksenowych na skalę przemysłową.

Xenes – Nanostruktury monowarstwowe

Ksenony to monowarstwowe (2D), jednoelementowe nanomateriały, które charakteryzują się strukturą podobną do grafenu, wewnątrzwarstwowymi wiązaniami kowalencyjnymi i słabymi siłami van der Waalsa między warstwami. Przykładami materiałów należących do klasy ksenów są: borofen, siliken, germanen, stanen, fosforen (czarny fosfor), arsen, bizmuten, telluryn i antymonen. Ze względu na jednowarstwową strukturę 2D nanomateriały ksenowe charakteryzują się bardzo dużą powierzchnią oraz zwiększoną reaktywnością chemiczną i fizyczną. Te cechy strukturalne nadają nanomateriałom ksenowym imponujące właściwości fotoniczne, katalityczne, magnetyczne i elektroniczne oraz czynią te nanostruktury bardzo interesującymi dla licznych zastosowań przemysłowych. Na zdjęciu po lewej stronie pokazano obrazy SEM ultradźwiękowo eksfoliowanego borofenu.

Wytwarzanie nanomateriałów ksenowych z wykorzystaniem rozwarstwiania ultradźwiękowego

Płynna eksfoliacja nanomateriałów warstwowych: Jednowarstwowe dwuwymiarowe nanosieci wytwarza się z materiałów nieorganicznych o strukturze warstwowej (np. grafitu), które składają się z luźno ułożonych warstw żywicielskich, wykazujących rozszerzanie się lub pęcznienie galerii warstwa po warstwie pod wpływem interkalacji pewnych jonów i/lub rozpuszczalników. Pęcznieniu towarzyszy zwykle eksfoliacja, podczas której faza warstwowa rozpada się na nanosieci, co jest spowodowane gwałtownym osłabieniem elektrostatycznych oddziaływań między warstwami, w wyniku czego powstają koloidalne dyspersje poszczególnych warstw lub arkuszy 2D. (por. Geng i in., 2013) Ogólnie wiadomo, że pęcznienie ułatwia eksfoliację w wyniku działania ultradźwięków i prowadzi do powstania ujemnie naładowanych nanoszkieletów. Chemiczna obróbka wstępna również ułatwia eksfoliację za pomocą sonikacji w rozpuszczalnikach. Na przykład, funkcjonalizacja umożliwia eksfoliację podwójnych wodorotlenków warstwowych (LDH) w alkoholach. (por. Nicolosi i in., 2013)
Podczas ultradźwiękowego złuszczania/rozdzielania materiał warstwowy jest poddawany działaniu silnych fal ultradźwiękowych w rozpuszczalniku. Gdy fale ultradźwiękowe o dużej gęstości energii są sprzężone z cieczą lub zawiesiną, dochodzi do kawitacji akustycznej lub ultradźwiękowej. Kawitacja ultradźwiękowa charakteryzuje się zapadaniem się pęcherzyków próżniowych. Fale ultradźwiękowe przechodzą przez ciecz i generują naprzemienne cykle niskiego i wysokiego ciśnienia. Miniaturowe pęcherzyki podciśnienia powstają podczas cyklu niskiego ciśnienia (rarefakcji) i powiększają się w różnych cyklach niskiego i wysokiego ciśnienia. Gdy pęcherzyk kawitacyjny osiągnie punkt, w którym nie może już absorbować energii, imploduje gwałtownie, tworząc lokalnie bardzo gęste energetycznie warunki. Kawitacyjny punkt zapalny jest określany przez bardzo wysokie ciśnienia i temperatury, odpowiednie różnice ciśnień i temperatur, szybkie strumienie cieczy oraz siły ścinające. Te sonomechaniczne i sonochemiczne siły wpychają rozpuszczalnik pomiędzy ułożone warstwy i rozbijają warstwowe struktury cząsteczkowe i krystaliczne, tworząc w ten sposób złuszczone nanopowierzchnie. Poniższa sekwencja obrazów demonstruje proces eksfoliacji za pomocą kawitacji ultradźwiękowej.

Szybka sekwencja (od a do f) klatek ilustrująca sono-mechaniczne złuszczanie płatków grafitu w wodzie przy użyciu UP200S, ultradźwiękowiec o mocy 200W z sonotrodą 3-mm. Strzałki pokazują miejsce rozszczepienia (eksfoliacji) z pęcherzykami kawitacyjnymi wnikającymi do wnętrza rozszczepienia.
© Tyurnina et al. 2020 (CC BY-NC-ND 4.0)

Modelowanie wykazało, że jeśli energia powierzchniowa rozpuszczalnika jest podobna do energii powierzchniowej materiału warstwowego, różnica energii pomiędzy stanami eksfoliowanym i reagregowanym będzie bardzo mała, co wyeliminuje siłę napędową dla reagregacji. W porównaniu z alternatywnymi metodami mieszania i ścinania, mieszadła ultradźwiękowe zapewniają bardziej efektywne źródło energii dla eksfoliacji, co doprowadziło do wykazania wspomaganej interkalacją jonową eksfoliacji TaS₂, NbS₂i MoS₂jak również tlenków warstwowych. (por. Nicolosi i in., 2013)

Obrazy TEM nanoszkieletów złuszczonych za pomocą cieczy ultradźwiękowej: (A) Nanarkusz grafenowy złuszczony za pomocą sonikacji w rozpuszczalniku N-metylopirolidon. (B) Nanarkusz h-BN złuszczony za pomocą sonikacji w rozpuszczalniku izopropanolowym. (C) Nanarkusz MoS2 złuszczony za pomocą sonikacji w wodnym roztworze środka powierzchniowo czynnego.
(Opracowanie i zdjęcia: ©Nicolosi et al., 2013)

Protokoły ultradźwiękowego złuszczania naskórka za pomocą cieczy

Ultradźwiękowe złuszczanie i rozwarstwianie ksenów i innych jednowarstwowych nanomateriałów było przedmiotem wielu badań naukowych i zostało z powodzeniem przeniesione na etap produkcji przemysłowej. Poniżej przedstawiamy wybrane protokoły eksfoliacji z wykorzystaniem sonikacji.

Ultradźwiękowa eksfoliacja nanopłatków fosforowych

Fosforowodór (znany również jako czarny fosfor, BP) to dwuwymiarowy, warstwowy, jednoelementowy materiał utworzony z atomów fosforu.
W badaniach Passaglia i wsp. (2018) przedstawiono otrzymywanie stabilnych zawiesin fosforenu - metakrylanu metylu poprzez wspomaganą sonikacją eksfoliację w fazie ciekłej (LPE) bP w obecności MMA, po której następuje polimeryzacja rodnikowa. Metakrylan metylu (MMA) jest ciekłym monomerem.

Protokół ultradźwiękowej eksfoliacji ciekłej fosforu

Zawiesiny MMA_bPn, NVP_bPn i Sty_bPn otrzymywano metodą LPE w obecności jedynego monomeru. W typowej procedurze ∼5 mg bP, starannie rozdrobnionego w moździerzu, umieszczano w probówce, a następnie dodawano odważoną ilość MMA, Sty lub NVP. Zawiesinę monomeru bP poddawano sonikacji przez 90 min za pomocą homogenizatora firmy Hielscher Ultrasonics. UP200St (200W, 26kHz), wyposażoną w sonotrodę S26d2 (średnica końcówki: 2 mm). Amplitudę ultradźwięków utrzymywano na stałym poziomie 50% przy P = 7 W. We wszystkich przypadkach stosowano łaźnię lodową w celu lepszego odprowadzania ciepła. Następnie końcowe zawiesiny MMA_bPn, NVP_bPn i Sty_bPn poddawano insuflacji N2 przez 15 min. Wszystkie zawiesiny analizowano metodą DLS, wykazując wartości rH zbliżone do wartości dla zawiesiny DMSO_bPn. Na przykład, zawiesina MMA_bPn (zawierająca ok. 1% bP) charakteryzowała się rH = 512 ± 58 nm.
Podczas gdy inne badania naukowe dotyczące fosforenu donoszą o kilkugodzinnym czasie sonikacji przy użyciu myjki ultradźwiękowej, rozpuszczalników o wysokiej temperaturze wrzenia i niskiej wydajności, zespół badawczy Passaglii demonstruje wysoce wydajny protokół eksfoliacji ultradźwiękowej przy użyciu ultradźwiękowego urządzenia typu sonda (tj, UP200St).

Ultradźwiękowe złuszczanie borophenu

Aby zapoznać się z protokołami sonikacji i wynikami ultradźwiękowej eksfoliacji boropenu, kliknij tutaj!

Ultradźwiękowe złuszczanie jednowarstwowych nanocząstek krzemionki

Z naturalnego wermikulitu (Verm) otrzymano metodą eksfoliacji ultradźwiękowej mało warstwowe złuszczone nanosieci krzemionkowe (E-SN). Do syntezy złuszczonych nanoszkieletów krzemionkowych zastosowano następującą metodę eksfoliacji cieczowo-fazowej: 40 mg nanosieci krzemionkowych (SN) zdyspergowano w 40 mL etanolu absolutnego. Następnie mieszaninę poddawano działaniu ultradźwięków przez 2 h przy użyciu aparatu Hielschera. Ultradźwiękowy Procesor UP200St, wyposażoną w sonotrodę o średnicy 7 mm. Amplitudę fali ultradźwiękowej utrzymywano na stałym poziomie 70%. Aby uniknąć przegrzania, stosowano łaźnię lodową. Nierozfoliowany SN usuwano przez wirowanie przy 1000 obr/min przez 10 min. Na koniec produkt zdekantowano i suszono w temperaturze pokojowej w próżni przez noc. (por. Guo i in., 2022)

Sondy i reaktory ultradźwiękowe o dużej mocy do eksfoliacji nanosiatek ksenowych

Firma Hielscher Ultrasonics projektuje, produkuje i dystrybuuje solidne i niezawodne ultradźwiękowe urządzenia dowolnej wielkości. Od kompaktowych laboratoryjnych urządzeń ultradźwiękowych po przemysłowe sondy ultradźwiękowe i reaktory - Hielscher ma idealny system ultradźwiękowy dla Twojego procesu. Dzięki wieloletniemu doświadczeniu w takich zastosowaniach, jak synteza i dyspersja nanomateriałów, nasz dobrze wyszkolony personel poleci Ci najbardziej odpowiednią konfigurację dla Twoich wymagań. Przemysłowe procesory ultradźwiękowe firmy Hielscher są znane jako niezawodne konie robocze w obiektach przemysłowych. Dzięki bardzo wysokim amplitudom ultradźwięki firmy Hielscher nadają się idealnie do wysokowydajnych zastosowań, takich jak synteza ksenów i innych jednowarstwowych nanomateriałów 2D, takich jak borofen, fosfor czy grafen, a także do niezawodnej dyspersji tych nanostruktur.
Wyjątkowo silne ultradźwięki: Hielscher Ultrasonics’ Przemysłowe procesory ultradźwiękowe mogą dostarczać bardzo duże amplitudy. Amplitudy do 200µm można z łatwością pracować w trybie ciągłym w trybie 24/7. Dla jeszcze większych amplitud dostępne są indywidualne sondy ultradźwiękowe.
Najwyższa jakość – Zaprojektowane i wykonane w Niemczech: Wszystkie urządzenia są projektowane i produkowane w naszej siedzibie w Niemczech. Przed dostawą do klienta każde urządzenie ultradźwiękowe jest dokładnie testowane pod pełnym obciążeniem. Dążymy do zadowolenia klienta, a nasza produkcja jest zorganizowana tak, aby spełniać najwyższe wymagania jakościowe (np. certyfikat ISO).

Poniższa tabela daje wskazanie przybliżonej mocy przerobowych naszych ultrasonicators: