Esfoliação ultra-sónica de xenos

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

xenos – Nanoestruturas de monocamada

Os xenos são nanomateriais monocamada (2D), monoelementares, que apresentam uma estrutura semelhante à do grafeno, ligações covalentes intra-camada e forças de van der Waals fracas entre camadas. Exemplos de materiais que fazem parte da classe dos xenos são o borofeno, o siliceno, o germaneno, o estaneno, o fosforeno (fósforo negro), o arseneno, o bismuteno, o telureno e o antimoneno. Devido à sua estrutura 2D de camada única, os nanomateriais de xenos são caracterizados por uma superfície muito grande, bem como por reactividades químicas e físicas melhoradas. Estas caraterísticas estruturais conferem aos nanomateriais de xenos propriedades fotónicas, catalíticas, magnéticas e electrónicas impressionantes e tornam estas nanoestruturas muito interessantes para numerosas aplicações industriais. A imagem à esquerda mostra imagens SEM de borofeno esfoliado por ultra-sons.

Produção de nanomateriais de xenos utilizando a delaminação ultra-sónica

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 apresentam expansão ou dilatação da galeria camada a camada após a intercalação de determinados iões e/ou solventes. A esfoliação, em que a fase em camadas é clivada em nanofolhas, acompanha normalmente o inchaço devido às atracções electrostáticas 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 através de ultra-sons 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 a esfoliação / delaminação ultra-sónica, o material em camadas é exposto a potentes ondas ultra-sónicas num solvente. Quando ondas de ultra-sons densas em energia são acopladas a um líquido ou pasta, ocorre cavitação acústica ou ultra-sónica. A cavitação ultra-sónica é caracterizada pelo colapso de bolhas de vácuo. As ondas de ultra-sons 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 localmente condições de grande densidade energética. Um ponto quente cavitacional é determinado por pressões e temperaturas muito elevadas, respectivos diferenciais de pressão e temperatura, jactos de líquido a alta velocidade e forças de cisalhamento. Estas 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 ultra-sónica.

Sequência de fotogramas de alta velocidade (de a a f) ilustrando a esfoliação sono-mecânica de um floco de grafite em água utilizando o UP200S, um aparelho de ultra-sons de 200 W com sonotrodo de 3 mm. As setas mostram o local da divisão (esfoliação) com bolhas de cavitação a penetrar na divisão.
© Tyurnina et al. 2020 (CC BY-NC-ND 4.0)

A modelação mostrou que, se a energia de superfície 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 com métodos alternativos de agitação e cisalhamento, os agitadores ultra-sónicos proporcionaram uma fonte de energia mais eficaz para a esfoliação, levando à demonstração da esfoliação assistida por intercalação iónica de TaS₂, NbS₂e MoS₂bem como óxidos em camadas. (cf. Nicolosi et al., 2013)

Imagens TEM de nanofolhas esfoliadas por ultra-sons líquidos: (A) Uma nanofolha de grafeno esfoliada por meio de ultra-sons 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 numa solução aquosa de surfactante.
(Estudo e imagens: ©Nicolosi et al., 2013)

Protocolos de esfoliação líquida por ultra-sons

A esfoliação e delaminação ultra-sónica de xenos e outros nanomateriais monocamada tem sido amplamente estudada na investigação e foi transferida com sucesso para a fase de produção industrial. Em seguida, apresentamos-lhe protocolos de esfoliação selecionados utilizando a sonicação.

Esfoliação ultra-sónica de nanoflocos de fosforeno

O fosforeno (também conhecido como fósforo negro, BP) é um material monoelementar em camadas 2D formado por 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 radicalar. O metacrilato de metilo (MMA) é um monómero líquido.

Protocolo para a esfoliação líquida ultra-sónica de fosforeno

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

Esfoliação ultra-sónica de monocamada Nanosheets

Para ler detalhes mais específicos e protocolos de esfoliação para nanofolhas de borofeno e óxido de ruténio, siga as ligações abaixo:
Borofeno: Para protocolos de sonicação e resultados da esfoliação ultra-sónica de borofeno, clique aqui!
RuO2: Para protocolos de sonicação e resultados de esfoliação ultra-sônica de óxido de rutênio nanosheet, por favor clique aqui!

Esfoliação ultra-sônica de nanofolhas de sílica de poucas camadas

As nanofolhas de sílica esfoliada de poucas camadas foram preparadas a partir de vermiculite natural (Verm) através de esfoliação ultra-sónica. Para a síntese de nanofolhas de sílica esfoliada, foi aplicado o seguinte método de esfoliação em fase líquida: 40 mg de nanofolhas de sílica foram dispersos em 40 mL de etanol absoluto. Subsequentemente, a mistura foi ultrasonicated durante 2 h usando um processador de ultra-sons Hielscher UP200St, equipado com um sonotrodo de 7 mm. A amplitude da onda de ultrassom foi mantida constante em 70%. Foi aplicado um banho de gelo para evitar o sobreaquecimento. As SN não esfoliadas foram removidas por centrifugação a 1000 rpm durante 10 min. Finalmente, o produto foi decantado e seco à temperatura ambiente sob vácuo durante a noite. (cf. Guo et al., 2022)

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

A Hielscher Ultrasonics concebe, fabrica e distribui ultrassons robustos e fiáveis de qualquer dimensão. Desde dispositivos ultra-sónicos de laboratório compactos a sondas e reactores ultra-sónicos industriais, a Hielscher tem o sistema ultrassónico ideal para o seu processo. Com experiência de longa data em aplicações como a síntese de nanomateriais e dispersão, o nosso pessoal bem treinado irá recomendar-lhe a configuração mais adequada para suas necessidades. Os processadores ultra-sónicos industriais Hielscher são conhecidos como cavalos de batalha fiáveis em instalações industriais. Capaz de fornecer amplitudes muito elevadas, ultrasonicators Hielscher são ideais para aplicações de alto desempenho, tais como a síntese de xenos e outros nanomateriais monocamada 2D, tais como borofeno, fosforeno ou grafeno, bem como uma dispersão confiável dessas nanoestruturas.
Ultra-sons extraordinariamente potentes: Hielscher Ultrasonics’ Os processadores ultra-sónicos industriais podem fornecer amplitudes muito elevadas. Amplitudes de até 200µm podem ser facilmente executadas de forma contínua em operação 24/7. Para amplitudes ainda mais elevadas, estão disponíveis sonotrodos ultra-sónicos personalizados.
Qualidade mais elevada – Concebido e fabricado na Alemanha: Todos os equipamentos são concebidos e fabricados na nossa sede na Alemanha. Antes da entrega ao cliente, cada dispositivo ultrassónico é cuidadosamente testado sob carga total. Esforçamo-nos por satisfazer o cliente e a nossa produção está estruturada para cumprir a mais elevada garantia de qualidade (por exemplo, certificação ISO).

O quadro seguinte dá-lhe uma indicação da capacidade de processamento aproximada dos nossos ultra-sons: