Grafénové nanodoštičky (GNP) môžu byť syntetizované a rozptýlené s vysokou účinnosťou a spoľahlivosťou pomocou ultrazvukom. Ultrazvukom s vysokou intenzitou sa používa na odlupovanie grafitu a získanie niekoľkých vrstiev grafénu, často označovaných ako grafénové nanodoštičky. Sonikácia tiež vyniká pri dosahovaní vynikajúcej distribúcie grafénových nanodoštičiek v nízko aj vysoko viskóznych suspenziách.

Spracovanie nanodoštičiek grafénu – Vynikajúce výsledky so ultrazvukom

Na spracovanie grafénových nanodoštičiek sú sondové sonikátory najefektívnejším, najspoľahlivejším a ľahko použiteľným nástrojom. Vzhľadom k tomu, ultrazvukom možno použiť na syntézu, disperziu a funkcionalizáciu grafénových nanodoštičiek, ultrazvukom sa používajú pre početné aplikácie súvisiace s grafénom:

• Exfoliácia a syntéza Sonikátory sondového typu sa používajú na odlupovanie grafitu do niekoľkých vrstiev grafénu alebo grafénových nanodoštičiek. Ultrazvukom s vysokou intenzitou narúša medzivrstvové sily a rozkladá grafit na menšie, jednotlivé listy grafénu.
• Rozptyl: Dosiahnutie rovnomernej disperzie grafénových nanodoštičiek v kvapalnom médiu je rozhodujúce pre všetky aplikácie súvisiace s grafénom. Sonikátory sondového typu môžu rozptýliť nanodoštičky rovnomerne po celej kvapaline, čím zabránia aglomerácii a zabezpečia stabilnú suspenziu.
• Funkcionalizácia: Sonikácia uľahčuje funkcionalizáciu grafénových nanodoštičiek podporou pripojenia funkčných skupín alebo molekúl k ich povrchom. Táto funkcionalizácia zvyšuje ich kompatibilitu so špecifickými polymérmi alebo materiálmi.

Syntéza grafénových nanodoštičiek ultrazvukom

Grafénové nanodoštičky môžu byť syntetizované ultrazvukom asistovanej grafitovej exfoliácie. Preto je grafitová suspenzia sonikovaná pomocou sondového ultrazvukového homogenizátora. Tento postup bol testovaný s veľmi nízkymi (napr. 4wt% alebo nižšími) až vysokými koncentráciami tuhých látok (napr. 10 hmotnost% alebo vyšších).
 
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.

Snímky získaných grafénových nanolistov transmisným elektrónovým mikroskopom s vysokým rozlíšením
pomocou ultrazvukom asistovanej vodnej fázovej disperzie a Hummerovej metódy.
(Štúdia a grafika: Ghanem a Rehim, 2018)

Aký je rozdiel medzi grafénovými listami a nanodoštičkami?

Grafénové dosky a grafénové nanodoštičky sú nanomateriály zložené z grafénu, čo je jedna vrstva atómov uhlíka usporiadaná v šesťuholníkovej mriežke. Niekedy sa grafénové listy a grafénové nanodoštičky používajú ako zameniteľné pojmy. Vedecky však existuje niekoľko rozdielov medzi týmito grafénovými nanomateriálmi: Hlavný rozdiel medzi grafénovými doskami a grafénovými nanodoštičkami spočíva v ich štruktúre a hrúbke. Grafénové listy pozostávajú z jednej vrstvy atómov uhlíka a sú výnimočne tenké, zatiaľ čo grafénové nanodoštičky sú hrubšie a pozostávajú z viacerých naskladaných grafénových vrstiev. Tieto štrukturálne rozdiely môžu ovplyvniť ich vlastnosti a vhodnosť pre konkrétne aplikácie. Použitie sondových sonikátorov je vysoko efektívna a efektívna technika syntetizovať, rozptýliť a funkcionalizovať grafénové jednovrstvové grafénové listy, ako aj niekoľko vrstvových naskladaných grafénových nanodoštičiek.

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

Disperzia grafénových nanodoštičiek pomocou ultrazvukom

Rovnomerná disperzia grafénových nanodoštičiek (GNP) je rozhodujúca v rôznych aplikáciách, pretože priamo ovplyvňuje vlastnosti a vlastnosti výsledných materiálov alebo výrobkov. Preto sú ultrazvukom inštalované pre disperzie grafénových nanodoštičiek v rôznych priemyselných odvetviach. Nasledujúce odvetvia sú významnými príkladmi použitia 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 nanodoštičky 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 môže byť použitá na prípravu katalytických materiálov na báze grafénových nanodoštičiek. Rovnomerná disperzia katalytických nanočastíc na povrchu grafénu môže zvýšiť katalytickú aktivitu v rôznych reakciách.
• Senzory: Grafénové nanodoštičky môžu byť použité pri výrobe senzorov pre rôzne aplikácie, vrátane snímania plynu, biologického snímania a monitorovania životného prostredia. Sonikácia zaisťuje homogénne rozloženie nanodoštičiek v senzorových materiáloch, čo vedie k zlepšeniu citlivosti a výkonu.
• Nátery a fólie: Sonikátory sondového typu sa používajú na prípravu povlakov a filmov na báze grafénových nanodoštičiek na aplikácie v elektronike, letectve a ochranných povlakoch. Rovnomerná disperzia a správna priľnavosť k podkladom sú pre tieto aplikácie rozhodujúce.
• Biomedicínske aplikácie: V biomedicínskych aplikáciách môžu byť grafénové nanodoštičky použité na dodávanie liekov, zobrazovanie a tkanivové inžinierstvo. Sonikácia pomáha pri príprave nanočastíc na báze grafénu a kompozitov používaných v týchto aplikáciách.

SEM obrázky grafénových nanodoštičiek v (b) X3000 a (c) X8000
(Štúdia a obrázky: ©Alizadeh et al., 2018)

Vedecky dokázané výsledky pre ultrazvukové grafénové nanodoštičky disperzie

Vedci použili Hielscher sonicators pre syntézu a disperziu grafénových nanodoštičiek v mnohých štúdiách a testovali účinky ultrazvukom energicky. Nižšie nájdete niekoľko príkladov úspešného miešania grafénových nanodoštičiek do rôznych zmesí, ako sú vodné kaly, expoy živice alebo malta.
 
Bežným postupom pre spoľahlivú, rýchlu a rovnomernú disperziu grafénových nanodoštičiek je nasledujúci postup:
Pre disperziu, grafénové nanodoštičky boli sonikované v čistom acetóne pomocou Hielscher ultrazvukový mixér UP400S takmer jednu hodinu, aby sa zabránilo aglomerácii grafénových listov. Acetón bol úplne odstránený odparovaním. Potom sa grafénové nanodoštičky pridali pri 1 hmotnostných % epoxidového systému a boli sonikované v epoxidovej živici pri 90 W počas 15 minút.
(porov. Cakir a kol., 2016)
 
Ďalšia štúdia skúma posilnenie nanofluidov na báze iónových kvapalín (ionanofluids) pridaním grafénových nanodoštičiek. Pre vynikajúcu disperziu bola zmes grafénových nanodoštičiek, iónovej kvapaliny a dodecylbenzénsulfonátu sodného homogenizovaná pomocou sondy typu Hielscher sonicator UP200S asi 90 minút.
(porov. Alizadeh a kol., 2018)

 
Tragazikis et al. (2019) uvádzajú účinné začlenenie grafénových nanodoštičiek do malty. Preto boli vodné grafénové suspenzie vyrobené pridaním nanodoštičiek – v hmotnostiach vpísaných požadovaným cieľovým obsahom vo výsledných materiáloch – v zmesiach bežnej vody z vodovodu a plastifikátora a následným magnetickým miešaním počas 2 minút. Suspenzie boli homogenizované ultrazvukom po dobu 90 minút pri izbovej teplote pomocou zariadenia Hielscher UP400S (Hielscher Ultrasonics GmbH) vybavené 22mm-sonotróda dodávajúca výkon 4500 J / min pri frekvencii 24 kHz. Špecifická kombinácia energetickej rýchlosti a trvania ultrazvukom bola stanovená ako optimálna po starostlivom preskúmaní účinku ultrazvukových parametrov kvality suspenzie.
(porov. Tragazikis a kol., 2019)
 
Zainal et al. (2018) vo svojom výskume uvádzajú, že správna disperzná technika, ako je ultrazvukom, zabezpečuje, že nanomateriály, ako sú grafénové nanodoštičky, môžu zlepšiť vlastnosti výplňových materiálov. Je to spôsobené tým, že disperzia je jedným z najdôležitejších faktorov výroby vysoko kvalitných nanokompozitov, ako je epoxidová zálievka.

Vysokovýkonné ultrazvukom na spracovanie grafénových nanodoštičiek

Hielscher Ultrasonics je lídrom na trhu, pokiaľ ide o vysokovýkonné ultrasonicators pre spracovanie nanomateriálov. Sonicators typu sondy Hielscher sa používajú na celom svete v laboratóriách a priemyselných prostrediach pre rôzne aplikácie, vrátane spracovania grafénových nanodoštičiek.
Najmodernejšia technológia, nemecké remeselné spracovanie a inžinierstvo, ako aj dlhoročné technické skúsenosti robia Hielscher Ultrasonics preferovaným partnerom pre úspešné ultrazvukové aplikácie.

Dizajn, výroba a poradenstvo – Kvalita vyrobená v Nemecku

Hielscher ultrasonicators sú známe svojimi najvyššími štandardmi kvality a dizajnu. Robustnosť a jednoduchá obsluha umožňujú hladkú integráciu našich ultrazvukových prístrojov do priemyselných zariadení. Drsné podmienky a náročné prostredia ľahko zvládajú ultrazvukové prístroje Hielscher.

Hielscher Ultrasonics je spoločnosť certifikovaná podľa ISO a kladie osobitný dôraz na vysoko výkonné ultrazvukové prístroje s najmodernejšou technológiou a užívateľskou prívetivosťou. Samozrejme, Hielscher ultrasonicators sú v súlade s CE a spĺňajú požiadavky UL, CSA a RoHs.

Nasledujúca tabuľka vám uvádza približnú spracovateľskú kapacitu našich ultrazvukov: