Esfoliação ultrassônica de xenas

Os xenos são nanomateriais monoelementares 2D com propriedades extraordinárias, como área superficial muito alta, propriedades físicas / químicas anisotrópicas, incluindo condutividade elétrica superior ou resistência à tração. A esfoliação ou delaminação ultrassônica é uma técnica eficiente e confiável para produzir nanofolhas 2D de camada única a partir de materiais precursores em camadas. A esfoliação ultrassônica já está estabelecida para a produção de nanofolhas de xenos de alta qualidade em escala industrial.

xenes – Nanoestruturas de monocamada

Os xenos são nanomateriais monoelementares de monocamada (2D), que apresentam uma estrutura semelhante ao grafeno, ligação covalente intracamada e forças fracas de van der Waals entre as camadas. Exemplos de materiais que fazem parte da classe dos xenos são borofeno, siliceno, germaneno, estaneno, fosforeno (fósforo negro), arseno, bismuteno e telureno e antimoneno. Devido à sua estrutura 2D de camada única, os nanomateriais de xenas são caracterizados por uma superfície muito grande, bem como por reatividades químicas e físicas aprimoradas. Essas características estruturais conferem aos nanomateriais xenos propriedades fotônicas, catalíticas, magnéticas e eletrônicas impressionantes e tornam essas nanoestruturas muito interessantes para inúmeras aplicações industriais. A imagem à esquerda mostra imagens SEM de borofeno esfoliado por ultrassom.

Produção de nanomateriais de xenas usando delaminação ultrassônica

Esfoliação líquida de nanomateriais em camadas: As nanofolhas 2D de camada única são produzidas a partir de materiais inorgânicos com estruturas em camadas (por exemplo, grafite) que consistem em camadas hospedeiras frouxamente empilhadas que exibem expansão ou inchaço da galeria camada a camada após a intercalação de certos íons e/ou solventes. A esfoliação, na qual a fase em camadas é clivada em nanofolhas, normalmente acompanha o inchaço devido às atrações eletrostáticas rapidamente enfraquecidas entre as camadas que produzem dispersões coloidais das camadas ou folhas 2D individuais. (cf. Geng et al, 2013) Em geral, sabe-se que o inchaço facilita a esfoliação por ultrassom e resulta em nanofolhas carregadas negativamente. O pré-tratamento químico também facilita a esfoliação por meio de sonicação em solventes. Por exemplo, a funcionalização permite a esfoliação de hidróxidos duplos em camadas (LDHs) em álcoois. (cf. Nicolosi et al., 2013)
Para esfoliação / delaminação ultrassônica, o material em camadas é exposto a poderosas ondas ultrassônicas em um solvente. Quando as ondas de ultrassom densas em energia são acopladas a um líquido ou pasta, ocorre a cavitação acústica, também conhecida como ultrassônica. A cavitação ultrassônica é caracterizada pelo colapso das bolhas de vácuo. As ondas de ultrassom viajam através do líquido e geram ciclos alternados de baixa pressão / alta pressão. As minúsculas bolhas de vácuo surgem durante um ciclo de baixa pressão (rarefação) e crescem ao longo de vários ciclos de baixa pressão / alta pressão. Quando uma bolha de cavitação atinge o ponto em que não pode absorver mais energia, a bolha implode violentamente e cria condições localmente muito densas em energia. Um ponto quente de cavitação é determinado por pressões e temperaturas muito altas, respectivas pressões e diferenciais de temperatura, jatos de líquido de alta velocidade e forças de cisalhamento. Essas forças sonomecânicas e sonoquímicas empurram o solvente entre as camadas empilhadas e quebram as estruturas particuladas e cristalinas em camadas, produzindo assim nanofolhas esfoliadas. A sequência de imagens abaixo demonstra o processo de esfoliação por cavitação ultrassônica.

Uma sequência de alta velocidade (de a a f) de quadros ilustrando a esfoliação sonomecânica de um floco de grafite em água usando o UP200S, um ultrassônico de 200W com sonotrodo de 3 mm. As setas mostram o local da divisão (esfoliação) com bolhas de cavitação penetrando na divisão.
© Tyurnina et al. 2020 (CC BY-NC-ND 4.0)

A modelagem mostrou que, se a energia superficial do solvente for semelhante à do material em camadas, a diferença de energia entre os estados esfoliado e reagregado será muito pequena, removendo a força motriz para a reagregação. Quando comparados aos métodos alternativos de agitação e cisalhamento, os agitadores ultrassônicos forneceram uma fonte de energia mais eficaz para a esfoliação, levando à demonstração da esfoliação assistida por intercalação iônica de TaS₂Nbs₂e MoS₂, bem como óxidos em camadas. (cf. Nicolosi et al., 2013)

Imagens TEM de nanofolhas esfoliadas ultrassonicamente líquidas: (A) Uma nanofolha de grafeno esfoliada por meio de sonicação no solvente N-metil-pirrolidona. (B) Uma nanofolha de h-BN esfoliada por meio de sonicação no solvente isopropanol. (C) Uma nanofolha de MoS2 esfoliada por meio de sonicação em uma solução aquosa de surfactante.
(Estudo e fotos: ©Nicolosi et al., 2013)

Protocolos ultrassônicos de esfoliação líquida

A esfoliação ultrassônica e a delaminação de xenas e outros nanomateriais de monocamada foram extensivamente estudadas em pesquisas e foram transferidas com sucesso para o estágio de produção industrial. Abaixo apresentamos os protocolos de esfoliação selecionados usando sonicação.

Esfoliação ultrassônica de nanoflocos de fosforeno

O fosforeno (também conhecido como fósforo negro, BP) é um material monoelementar em camadas 2D formado a partir de átomos de fósforo.
Na pesquisa de Passaglia et al. (2018), é demonstrada a preparação de suspensões estáveis de fosforeno − metacrilato de metila por esfoliação em fase líquida assistida por sonicação (LPE) de bP na presença de MMA seguida de polimerização radical. O metacrilato de metila (MMA) é um monômero líquido.

Protocolo para Esfoliação Líquida Ultrassônica de Fosforeno

MMA_bPn, NVP_bPn e Sty_bPn suspensões foram obtidas por LPE na presença do monômero único. Em um procedimento típico, ∼5 mg de bP, cuidadosamente triturados em um pilão, foram colocados em um tubo de ensaio e, em seguida, uma quantidade ponderada de MMA, Sty ou NVP foi adicionada. A suspensão do monômero bP foi sonicada por 90 min usando um homogeneizador Hielscher Ultrasonics UP200St (200W, 26kHz), equipado com sonotrodo S26d2 (diâmetro da ponta: 2 mm). A amplitude ultrassônica foi mantida constante em 50% com P = 7 W. Em todos os casos, um banho de gelo foi usado para melhorar a dissipação de calor. As suspensões finais de MMA_bPn, NVP_bPn e Sty_bPn foram então insufladas com N2 por 15 min. Todas as suspensões foram analisadas por DLS, mostrando valores de rH muito próximos aos de DMSO_bPn. Por exemplo, a suspensão MMA_bPn (com cerca de 1% de conteúdo de pP) foi caracterizada por rH = 512 ± 58 nm.
Enquanto outros estudos científicos sobre o fosforeno relatam um tempo de sonicação de várias horas usando limpador ultrassônico, solventes de alto ponto de ebulição e baixa eficiência, a equipe de pesquisa da Passaglia demonstra um protocolo de esfoliação ultrassônico altamente eficiente usando um ultrassônico do tipo sonda (ou seja, o Ultrasonicator Hielscher modelo UP200St).

Esfoliação ultrassônica de nanofolhas de monocamada

Para ler detalhes mais específicos e protocolos de esfoliação para nanofolhas de borofeno e óxido de rutênio, siga os links abaixo:
Borofeno: Para protocolos de sonicação e resultados da esfoliação ultrassônica com borofelo, clique aqui!
RuO2: Para protocolos de sonicação e resultados da esfoliação ultrassônica de nanofolhas de óxido de rutênio, clique aqui!

Esfoliação ultrassônica de nanofolhas de sílica de poucas camadas

Nanofolhas de sílica esfoliada de poucas camadas foram preparadas a partir de vermiculita natural (Verm) por meio de esfoliação ultrassônica. Para a síntese de nanofolhas de sílica esfoliadas, foi aplicado o seguinte método de esfoliação em fase líquida: 40 mg de nanofolhas de sílica foram dispersas em 40 mL de etanol absoluto. Posteriormente, a mistura foi ultrassonizada por 2 h usando um processador ultrassônico Hielscher UP200St, equipado com um sonotrodo de 7 mm. A amplitude da onda ultrassônica foi mantida constante em 70%. Um banho de gelo foi aplicado para evitar superaquecimento. As SN não esfoliadas foram removidas por centrifugação a 1000 rpm por 10 min. Por fim, o produto foi decantado e seco à temperatura ambiente sob vácuo durante a noite. (cf. Guo et al., 2022)

Sondas e reatores de ultrassom de alta potência para esfoliação de nanofolhas de xenos

A Hielscher Ultrasonics projeta, fabrica e distribui ultrassônicos robustos e confiáveis em qualquer tamanho. De dispositivos ultrassônicos compactos de laboratório a sondas e reatores ultrassônicos industriais, a Hielscher tem o sistema ultrassônico ideal para o seu processo. Com longa experiência em aplicações como síntese e dispersão de nanomateriais, nossa equipe bem treinada recomendará a configuração mais adequada para suas necessidades. Os processadores ultrassônicos industriais Hielscher são conhecidos como cavalos de trabalho confiáveis em instalações industriais. Capazes de fornecer amplitudes muito altas, os ultrasonicadores Hielscher são ideais para aplicações de alto desempenho, como a síntese de xenos e outros nanomateriais monocamada 2D, como borofeno, fosforeno ou grafeno, bem como uma dispersão confiável dessas nanoestruturas.
Ultrassom extraordinariamente poderoso: Hielscher Ultrasonics’ Os processadores ultrassônicos industriais podem fornecer amplitudes muito altas. Amplitudes de até 200 μm podem ser facilmente executadas continuamente em operação 24 horas por dia, 7 dias por semana. Para amplitudes ainda maiores, estão disponíveis sonotrodos ultrassônicos personalizados.
A mais alta qualidade – Projetado e fabricado na Alemanha: Todos os equipamentos são projetados e fabricados em nossa sede na Alemanha. Antes da entrega ao cliente, cada dispositivo ultrassônico é cuidadosamente testado sob carga total. Esforçamo-nos pela satisfação do cliente e a nossa produção está estruturada para cumprir a mais alta garantia de qualidade (por exemplo, certificação ISO).

A tabela abaixo fornece uma indicação da capacidade aproximada de processamento de nossos ultrassônicos: