Exfolierea cu ultrasunete a xenelor

Xenes sunt nanomateriale monoelementare 2D cu proprietăți extraordinare, cum ar fi suprafața foarte mare, proprietăți fizice/chimice anizotrope, inclusiv conductivitate electrică superioară sau rezistență la tracțiune. Exfolierea cu ultrasunete sau delaminarea este o tehnică eficientă și fiabilă pentru a produce nanofoi 2D cu un singur strat din materiale precursoare stratificate. Exfolierea cu ultrasunete este deja stabilită pentru producerea de nanofoi xenes de înaltă calitate la scară industrială.

Xenes – Nanostructuri monostrat

Xenes sunt nanomateriale monostrat (2D), monoelementale, care prezintă o structură asemănătoare grafenului, o legătură covalentă intrastrat și forțe van der Waals slabe între straturi. Exemple de materiale care fac parte din clasa xenes sunt borofenul, silicenul, germanenul, stanenul, fosforenul (fosforul negru), arsenul, bismutenul și telurena și antimonenul. Datorită structurii lor 2D cu un singur strat, nanomaterialele xenes sunt carbonizate de o suprafață foarte mare, precum și de reactivități chimice și fizice îmbunătățite. Aceste caracteristici structurale conferă nanomaterialelor proprietăți fotonice, catalitice, magnetice și electronice impresionante și fac aceste nanostructuri foarte interesante pentru numeroase aplicații industriale. Imaginea din stânga arată imagini SEM de borofen exfoliat ultrasonically.

Producția de nanomateriale Xenes folosind delaminarea cu ultrasunete

Exfolierea lichidă a nanomaterialelor stratificate: Nanofoile 2D cu un singur strat sunt produse din materiale anorganice cu structuri stratificate (de exemplu, grafit) care constau în straturi gazdă slab stivuite care prezintă expansiunea galeriei strat-strat sau umflarea la intercalarea anumitor ioni și / sau solvenți. Exfolierea, în care faza stratificată este scindată în nanofoi, însoțește de obicei umflarea datorită atracțiilor electrostatice rapid slăbite între straturile care produc dispersii coloidale ale straturilor sau foilor 2D individuale. (cf. Geng et al, 2013) În general, se știe că umflarea facilitează exfolierea prin ultrasonication și are ca rezultat nanosheets încărcate negativ. Pre-tratarea chimică facilitează, de asemenea, exfolierea prin sonicare în solvenți. De exemplu, funcționalizarea permite exfolierea hidroxizilor dubli stratificati (LDH) în alcooli. (cf. Nicolosi et al., 2013)
Pentru exfolierea / delaminarea cu ultrasunete, materialul stratificat este expus la unde ultrasonice puternice într-un solvent. Atunci când undele cu ultrasunete dense energetic sunt cuplate într-un lichid sau suspensie, acustică aka cavitație cu ultrasunete apar. Cavitația cu ultrasunete se caracterizează prin prăbușirea bulelor de vid. Undele cu ultrasunete călătoresc prin lichid și generează cicluri alternative de joasă presiune / înaltă presiune. Bulele de vid minuscule apar în timpul unui ciclu de joasă presiune (rarefiere) și cresc în diferite cicluri de joasă presiune / înaltă presiune. Când o bulă de cavitație ajunge la punctul în care nu mai poate absorbi energie, bula implodează violent și creează condiții locale foarte dense din punct de vedere energetic. Un punct fierbinte cavitațional este determinat de presiuni și temperaturi foarte ridicate, presiuni și diferențe de temperatură, jeturi lichide de mare viteză și forțe de forfecare. Aceste forțe sonomecanice și sonochimice împing solventul între straturile stivuite și structurile cristaline și particulele stratificate de rupere, producând astfel nanofoi exfoliate. Secvența de imagini de mai jos demonstrează procesul de exfoliere prin cavitație cu ultrasunete.

O secvență de mare viteză (de la a la f) de cadre care ilustrează exfolierea sono-mecanică a unui fulg de grafit în apă folosind UP200S, un ultrasonicator de 200W cu sonotrodă de 3 mm. Săgețile arată locul de despicare (exfoliere) cu bule de cavitație care penetrează despicarea.
© Tyurnina și colab. 2020 (CC BY-NC-ND 4.0)

Modelarea a arătat că, dacă energia de suprafață a solventului este similară cu cea a materialului stratificat, diferența de energie dintre stările exfoliate și reagregate va fi foarte mică, eliminând forța motrice pentru reagregare. În comparație cu metodele alternative de amestecare și forfecare, agitatoarele cu ultrasunete au oferit o sursă de energie mai eficientă pentru exfoliere, ceea ce duce la demonstrarea exfolierii asistate de intercalare ionică a TaS₂Bns₂și MS₂, precum și oxizi stratificati. (cf. Nicolosi et al., 2013)

Imagini TEM de ultrasonically lichid exfoliat nanosheets: (A) O nanofoaie de grafen exfoliat prin sonicare în solvent N-metil-pirolidonă. (B) O nanofoaie h-BN exfoliată prin sonicare în solventul izopropanol. (C) O nanofoaie MoS2 exfoliată prin sonicare într-o soluție apoasă de agent tensioactiv.
(Studiu și imagini: ©Nicolosi et al., 2013)

Protocoale de exfoliere lichidă cu ultrasunete

Exfolierea cu ultrasunete și delaminarea xenilor și a altor nanomateriale monostrat au fost studiate extensiv în cercetare și au fost transferate cu succes în stadiul de producție industrială. Mai jos vă prezentăm protocoale de exfoliere selectate folosind sonicare.

Exfolierea cu ultrasunete a nanolacurilor de fosforen

Fosforenul (cunoscut și sub numele de fosfor negru, BP) este un material monoelemental stratificat 2D format din atomi de fosfor.
În cercetarea lui Passaglia et al. (2018), se demonstrează prepararea suspensiilor stabile de fosforen-metacrilat de metil prin sonicare-asistată de exfolierea fazei lichide (LPE) a bP în prezența MMA urmată de polimerizarea radicală. Metacrilatul de metil (MMA) este un monomer lichid.

Protocol pentru exfolierea lichidă cu ultrasunete a fosforenului

MMA_bPn, NVP_bPn și Sty_bPn suspensii au fost obținute de LPE în prezența monomerului unic. Într-o procedură tipică, ∼5 mg de bP, zdrobită cu grijă într-un mortar, a fost pusă într-o eprubetă și apoi a fost adăugată o cantitate ponderată de MMA, Sty sau NVP. Suspensia monomer bP a fost sonicated pentru 90 min prin utilizarea unui omogenizator Hielscher Ultrasonics UP200St (200W, 26kHz), echipat cu sonotrode S26d2 (diametrul vârfului: 2 mm). Amplitudinea ultrasonică a fost menținută constantă la 50% cu P = 7 W. În toate cazurile, o baie de gheață a fost utilizată pentru îmbunătățirea disipării căldurii. Suspendările finale MMA_bPn, NVP_bPn și Sty_bPn au fost apoi insuflate cu N2 timp de 15 minute. Toate suspensiile au fost analizate de DLS, arătând valori ale rH-ului foarte apropiate de cele ale DMSO_bPn. De exemplu, suspensia MMA_bPn (având aproximativ 1% din conținutul de bP) a fost caracterizată prin rH = 512 ± 58 nm.
În timp ce alte studii științifice privind fosforenul raportează timp de sonicare de câteva ore folosind agent de curățare cu ultrasunete, solvenți cu punct de fierbere ridicat și eficiență scăzută, echipa de cercetare a Passaglia demonstrează un protocol de exfoliere cu ultrasunete extrem de eficient folosind un ultrasonicator de tip sondă (și anume Hielscher ultrasonicator model UP200St).

Exfolierea cu ultrasunete a nanofoilor monostrat

Pentru a citi mai multe detalii specifice și protocoale de exfoliere pentru nanofoile de borofen și oxid de ruteniu, vă rugăm să urmați linkurile de mai jos:
Borofen: Pentru protocoalele sonicare și rezultatele exfolierii cu ultrasunete borofen, vă rugăm să faceți clic aici!
RuO2: Pentru protocoalele sonicare și rezultatele exfolierii nanofoii de oxid de ruteniu cu ultrasunete, vă rugăm să faceți clic aici!

Exfolierea cu ultrasunete a nanofoilor de siliciu cu câteva straturi

Nanofoile de siliciu exfoliate cu puține straturi au fost preparate din vermiculită naturală (Verm) prin exfoliere cu ultrasunete. Pentru sinteza nanofoilor de siliciu exfoliat s-a aplicat următoarea metodă de exfoliere în fază lichidă: 40 mg nanofoi de siliciu au fost dispersate în 40 ml etanol absolut. Ulterior, amestecul a fost ultrasonicated pentru 2 h folosind un procesor cu ultrasunete Hielscher UP200St, echipat cu un sonotrod de 7 mm. Amplitudinea undei cu ultrasunete a fost menținută constantă la 70%. A fost aplicată o baie de gheață pentru a evita supraîncălzirea. SN neexfoliate au fost îndepărtate prin centrifugare la 1000 rpm timp de 10 minute. În cele din urmă, produsul a fost decantat și uscat la temperatura camerei sub vid peste noapte. (cf. Guo și colab., 2022)

Sonde cu ultrasunete de mare putere și reactoare pentru exfolierea nanofoilor xenes

Hielscher Ultrasonics proiectează, produce, și distribuie ultrasonicators robuste și fiabile la orice dimensiune. De la dispozitive compacte cu ultrasunete de laborator la sonde industriale cu ultrasunete și reactoare, Hielscher are sistemul cu ultrasunete ideal pentru procesul dumneavoastră. Cu o experiență îndelungată în aplicații precum sinteza și dispersia nanomaterialelor, personalul nostru bine instruit vă va recomanda cea mai potrivită configurație pentru cerințele dumneavoastră. Hielscher procesoare industriale cu ultrasunete sunt cunoscute ca cai de lucru fiabile în instalații industriale. Capabil să furnizeze amplitudini foarte mari, ultrasonicators Hielscher sunt ideale pentru aplicații de înaltă performanță, ar fi sinteza xenes și alte nanomateriale monostrat 2D, ar fi borofen, fosforen sau grafen, precum și o dispersie fiabilă a acestor nanostructuri.
Ecografie extraordinar de puternică: Hielscher Ultrasonics’ Procesoarele industriale cu ultrasunete pot furniza amplitudini foarte mari. Amplitudinile de până la 200μm pot fi ușor rulate continuu în funcționare 24/7. Pentru amplitudini chiar mai mari, sonotrodes cu ultrasunete personalizate sunt disponibile.
Cea mai înaltă calitate – Proiectat și fabricat în Germania: Toate echipamentele sunt proiectate și fabricate în sediul nostru din Germania. Înainte de livrarea către client, fiecare dispozitiv cu ultrasunete este testat cu atenție sub sarcină maximă. Ne străduim să satisfacem clienții, iar producția noastră este structurată pentru a îndeplini cea mai înaltă asigurare a calității (de exemplu, certificarea ISO).

Tabelul de mai jos vă oferă o indicație a capacității aproximative de procesare a ultrasonicators noastre: