Grafénové nanokrvné doštičky syntetizované a dispergované sondou

Grafénové nanodoštičky (GNP) je možné syntetizovať a dispergovať s vysokou účinnosťou a spoľahlivosťou pomocou sonikátorov. Ultrazvuk s vysokou intenzitou sa používa na exfoliáciu grafitu a získanie niekoľkovrstvového grafénu, často označovaného ako grafénové nanokrvné doštičky. Sonikácia tiež vyniká dosiahnutím vynikajúcej distribúcie grafénových nanodoštičiek v nízko aj vysoko viskóznych suspenziách.

Spracovanie grafénových nanodoštičiek – Vynikajúce výsledky so sonikáciou

Pri spracovaní grafénových nanodoštičiek sú sondové sondočnícke prístroje najúčinnejším, najspoľahlivejším a ľahko použiteľným nástrojom. Keďže ultrazvuk možno použiť na syntézu, disperziu a funkcionalizáciu grafénových nanokrvných doštičiek, sonikátory sa používajú na množstvo aplikácií súvisiacich s grafénom:

• Exfoliácia a syntéza Sonikátory sondového typu sa používajú na exfoliáciu grafitu na niekoľkovrstvové grafénové alebo grafénové nanokrvné doštičky. Ultrazvuk s vysokou intenzitou narúša medzivrstvové sily a rozkladá grafit na menšie jednotlivé listy grafénu.
• Rozptyl: Dosiahnutie rovnomernej disperzie grafénových nanodoštičiek v kvapalnom médiu je kľúčové pre všetky aplikácie súvisiace s grafénom. Sonikátory sondového typu dokážu rovnomerne rozptýliť nanokrvné doštičky po celej kvapaline, čím zabraňujú aglomerácii a zabezpečujú stabilnú suspenziu.
• Funkcionalizácia: Sonikácia uľahčuje funkcionalizáciu grafénových nanokrvných doštičiek tým, že podporuje pripojenie funkčných skupín alebo molekúl k ich povrchom. Táto funkcionalizácia zvyšuje ich kompatibilitu so špecifickými polymérmi alebo materiálmi.

Syntéza grafénových nanodoštičiek pomocou sonikácie

Grafénové nanokrvné doštičky je možné syntetizovať ultrazvukom asistovanou exfoliáciou grafitu. Preto sa grafitová suspenzia sonikuje pomocou ultrazvukového homogenizátora sondového typu. Tento postup bol testovaný s veľmi nízkymi (napr. 4 % alebo nižšími) až vysokými koncentráciami pevných látok (napr. 10 % hmotnosti alebo vyššími).
 
Ghanem and Rehim (2018) report the ultrasonic exfoliation of graphite in water with the aid of sodium dodecyl benzene sulfonate (SDS) in order to prepare dispersed graphene nanoplatelets using a the probe-type sonicator UP 100H allowed for the successful preparation of defect-free few-layer graphene (>5). The following precursor was used: reduced graphene nanosheets were prepared via Hummer method and treated with two additional steps, oxidation of graphite followed by reduction of graphene oxide. Thereby, dispersed graphene nanoplatelets were obtained in water via solvent dispersion method (see scheme below). Graphite layers were exfoliated with sonication using the probe-type sonicator UP100H (100 W). 0.25 g SDS was dissolved in 150 mL deionized water and then 0.5 g of graphite was added. The graphite solution was sonicated for 12h in an ice bath and then the suspension solution was centrifuged at 686× g for 30 min to remove the large particles. The precipitate was discarded and supernatant was re-centrifuged for 90 min at 12,600× g. The obtained dispersed graphene nanoplatelets were washed well several times to get rid of the surfactant. Finally, the product was dried at 60ºC under vacuum.

Získané snímky grafénových nanolistov z transmisného elektrónového mikroskopu s vysokým rozlíšením
prostredníctvom ultrazvukom asistovanej vodnej fázovej disperzie a Hummerovej metódy.
(Štúdia a grafika: Ghanem a Rehim, 2018)

Aký je rozdiel medzi grafénovými doskami a nanokrvnými doštičkami?

Grafénové dosky a grafénové nanodoštičky sú nanomateriály zložené z grafénu, čo je jedna vrstva atómov uhlíka usporiadaných v šesťuholníkovej mriežke. Niekedy sa grafénové dosky a grafénové nanodoštičky používajú ako zameniteľné pojmy. Z vedeckého hľadiska však existuje niekoľko rozdielov medzi týmito grafénovými nanomateriálmi: Hlavný rozdiel medzi grafénovými doskami a grafénovými nanodoštičkami spočíva v ich štruktúre a hrúbke. Grafénové dosky pozostávajú z jednej vrstvy atómov uhlíka a sú výnimočne tenké, zatiaľ čo grafénové nanodoštičky sú hrubšie a skladajú sa z viacerých naskladaných grafénových vrstiev. Tieto štrukturálne rozdiely môžu ovplyvniť ich vlastnosti a vhodnosť pre špecifické aplikácie. Použitie sondových sonikátorov je vysoko účinná a efektívna technika na syntézu, rozptýlenie a funkcionalizáciu grafénových jednovrstvových grafénových dosiek, ako aj niekoľkovrstvových stohovaných grafénových nanodoštičiek.

Grafická vizualizácia ultrazvukovej syntézy grafénových nanodoštičiek pomocou sonikátora UP100H
(Štúdia a grafika: Ghanem a Rehim, 2018)

Disperzia grafénových nanokrvných doštičiek pomocou sonikácie

Rovnomerná disperzia grafénových nanokrvných doštičiek (GNP) je kľúčová v rôznych aplikáciách, pretože priamo ovplyvňuje vlastnosti a výkon výsledných materiálov alebo produktov. Preto sú v rôznych priemyselných odvetviach inštalované sonikátory pre grafénové nanodoštičkové disperzie. Nasledujúce odvetvia sú významnými príkladmi použitia výkonového ultrazvuku:
 

• Nanokompozity: Grafénové nanodoštičky môžu byť začlenené do rôznych nanokompozitných materiálov, ako sú polyméry, aby sa zlepšili ich mechanické, elektrické a tepelné vlastnosti. Sonikátory sondového typu pomáhajú rovnomerne rozptýliť nanokrvné doštičky v polymérnej matrici, čo vedie k zlepšeniu výkonu materiálu.
• Elektródy a batérie: Grafénové nanodoštičky sa používajú pri vývoji vysokovýkonných elektród pre batérie a superkondenzátory. Sonikácia pomáha vytvárať dobre rozptýlené elektródové materiály na báze grafénu so zväčšeným povrchom, čo zlepšuje možnosti skladovania energie.
• Katalýza: Sonikácia sa môže použiť na prípravu katalytických materiálov na báze grafénových nanokrvných doštičiek. Rovnomerná disperzia katalytických nanočastíc na povrchu grafénu môže zvýšiť katalytickú aktivitu v rôznych reakciách.
• Senzory: Grafénové nanodoštičky možno použiť pri výrobe senzorov pre rôzne aplikácie vrátane snímania plynov, biosenzorov a monitorovania životného prostredia. Sonikácia zaisťuje homogénnu distribúciu nanokrvných doštičiek v materiáloch senzorov, čo vedie k zlepšeniu citlivosti a výkonu.
• Nátery a fólie: Sonikátory sondového typu sa používajú na prípravu povlakov a fólií na báze grafénových nanodoštičiek pre aplikácie v elektronike, letectve a ochranných náteroch. Rovnomerná disperzia a správna priľnavosť k podkladom sú pre tieto aplikácie rozhodujúce.
• Biomedicínske aplikácie: V biomedicínskych aplikáciách sa grafénové nanokrvné doštičky môžu použiť na podávanie liekov, zobrazovanie a tkanivové inžinierstvo. Sonikácia pomáha pri príprave nanočastíc a kompozitov na báze grafénu používaných v týchto aplikáciách.

SEM snímky grafénových nanokrvných doštičiek na (b) X3000 a (c) X8000
(Štúdia a obrázky: ©Alizadeh et al., 2018)

Vedecky overené výsledky pre ultrazvukové grafénové nanodoštičkové disperzie

Vedci použili Hielscherove ultrazvukové prístroje na syntézu a disperziu grafénových nanokrvných doštičiek v mnohých štúdiách a energicky testovali účinky ultrazvuku. Nižšie nájdete niekoľko príkladov úspešného zmiešania grafénových nanokrvných doštičiek do rôznych zmesí, ako sú vodné kaše, expoy živice alebo malta.
 
Bežným postupom pre spoľahlivú a rýchlu rovnomernú disperziu grafénových nanodoštičiek je nasledujúci postup:
Na disperziu boli grafénové nanodoštičky sonikované v čistom acetóne pomocou ultrazvukového mixéra Hielscher UP400S počas takmer jednej hodiny, aby sa zabránilo aglomerácii grafénových dosiek. Acetón bol úplne odstránený odparovaním. Potom sa pridali grafénové nanodoštičky na 1 hm. % epoxidového systému a sonikovali sa v epoxidovej živici pri 90 W po dobu 15 minút.
(porovnaj Cakir et al., 2016)
 
Ďalšia štúdia skúma vystuženie iónových kvapalných nanokvapalín (ionanofluidov) pridaním grafénových nanokrvných doštičiek. Pre vynikajúcu disperziu bola zmes grafénových nanokrvných doštičiek, iónovej kvapaliny a dodecylbenzénsulfonátu sodného homogenizovaná pomocou Hielscherovho sondového sondového sonikátora UP200S počas približne 90 minút.
(porovnaj Alizadeh a kol., 2018)

 
Tragazikis et al. (2019) uvádzajú efektívne začlenenie grafénových nanodoštičiek do malty. Preto sa vodné grafénové suspenzie vyrábali pridaním nanokrvných doštičiek – v hmotnostiach zapísaných požadovaným cieľovým obsahom vo výsledných materiáloch – v zmesiach bežnej vody z vodovodu a zmäkčovadla a následným magnetickým miešaním po dobu 2 minút. Suspenzie boli homogenizované ultrazvukom po dobu 90 minút pri izbovej teplote pomocou zariadenia Hielscher UP400S (Hielscher Ultrasonics GmbH) vybaveného 22 mm sonotródou poskytujúcou výkon 4500 J/min pri frekvencii 24 kHz. Špecifická kombinácia rýchlosti energie a trvania sonikácie bola stanovená ako optimálna po dôkladnom skúmaní vplyvu parametrov ultrazvuku na kvalitu suspenzie.
(porovnaj Tragazikis a kol., 2019)
 
Zainal et al. (2018) vo svojom výskume uvádzajú, že správna disperzná technika, ako je sonikácia, zaisťuje, že nanomateriály, ako sú grafénové nanoplatničky, môžu zlepšiť vlastnosti výplňových materiálov. Je to spôsobené tým, že disperzia je jedným z najdôležitejších faktorov pri výrobe vysokokvalitných nanokompozitov, ako je epoxidová škárovacia hmota.

Vysokovýkonné sonikátory na spracovanie grafénových nanodoštičiek

Spoločnosť Hielscher Ultrasonics je lídrom na trhu, pokiaľ ide o vysokovýkonné ultrazvukové prístroje na spracovanie nanomateriálov. Hielscherove sondové sondy sa používajú na celom svete v laboratóriách a priemyselných prostrediach na rôzne aplikácie vrátane spracovania grafénových nanokrvných doštičiek.
Najmodernejšia technológia, nemecké remeselné spracovanie a inžinierstvo, ako aj dlhoročné technické skúsenosti robia zo spoločnosti Hielscher Ultrasonics vášho preferovaného partnera pre úspešnú ultrazvukovú aplikáciu.

Dizajn, výroba a poradenstvo – Kvalita vyrobená v Nemecku

Ultrazvukové prístroje Hielscher sú známe svojou najvyššou kvalitou a dizajnovými štandardmi. Robustnosť a jednoduchá obsluha umožňujú bezproblémovú integráciu našich ultrazvukových prístrojov do priemyselných zariadení. Drsné podmienky a náročné prostredie ľahko zvládnu ultrazvukové prístroje Hielscher.

Hielscher Ultrasonics je spoločnosť s certifikáciou ISO a kladie osobitný dôraz na vysokovýkonné ultrazvukové prístroje s najmodernejšou technológiou a užívateľskou prívetivosťou. Ultrazvukové prístroje Hielscher sú samozrejme v súlade s CE a spĺňajú požiadavky UL, CSA a RoHs.

Nasledujúca tabuľka vám poskytuje približnú kapacitu spracovania našich ultrazvukových prístrojov: