Grafénové nanodoštičky syntetizované a dispergované sondovou sonikáciou

Grafénové nanodoštičky (GNPs) možno syntetizovať a dispergovať s vysokou účinnosťou a spoľahlivosťou pomocou sonikátorov. Ultrazvuk s vysokou intenzitou sa používa na exfoliáciu grafitu a získanie grafénu s niekoľkými vrstvami, často označovaného ako grafénové nanodoštičky. Sonikácia vyniká aj pri dosahovaní výborného rozloženia grafénových nanodoštičiek v suspenziách s nízkou aj vysokou viskozitou.

Spracovanie grafénových nanodoštičiek – vynikajúce výsledky vďaka sonikácii

Na spracovanie grafénových nanodoštičiek sú sondové sonikátory najúčinnejším, najspoľahlivejším a najjednoduchšie použiteľným nástrojom. Keďže ultrazvuk možno využiť na syntézu, dispergovanie a funkcionalizáciu grafénových nanodoštičiek, sonikátory sa používajú pri mnohých aplikáciách súvisiacich s grafénom:

• Exfoliácia a syntéza Sondové sonikátory sa používajú na exfoliáciu grafitu na grafén s niekoľkými vrstvami alebo grafénové nanodoštičky. Ultrazvuk s vysokou intenzitou narúša medzivrstvové sily a rozrušuje grafit na menšie, samostatné grafénové listy.
• Dispergovanie: Dosiahnutie rovnomerného rozptýlenia grafénových nanodoštičiek v kvapalnom médiu je kľúčové pre všetky aplikácie súvisiace s grafénom. Sondové sonikátory dokážu rovnomerne rozptýliť nanodoštičky v celom objeme kvapaliny, čím zabraňujú aglomerácii a zabezpečujú stabilnú suspenziu.
• Funkcionalizácia: Sonikácia uľahčuje funkcionalizáciu grafénových nanodoštičiek tým, že podporuje naviazanie funkčných skupín alebo molekúl na ich povrch. Táto funkcionalizácia zlepšuje ich kompatibilitu s konkrétnymi polymérmi alebo materiálmi.

Syntéza grafénových nanodoštičiek pomocou sonikácie

Grafénové nanodoštičky možno syntetizovať ultrazvukom podporovanou exfoliáciou grafitu. Na tento účel sa grafitová suspenzia sonikuje pomocou sondového ultrazvukového homogenizátora. Tento postup bol testovaný pri veľmi nízkych (napr. 4wt% alebo nižších) až vysokých koncentráciách tuhej fázy (napr. 10wt% alebo vyšších).
 
Ghanem a Rehim (2018) opisujú ultrazvukovú exfoliáciu grafitu vo vode za pomoci dodecylbenzénsulfonátu sodného (SDS) s cieľom pripraviť dispergované grafénové nanodoštičky. Použitie sondového sonikátora UP 100H umožnilo úspešnú prípravu bezdefektného grafénu s niekoľkými vrstvami (>5). Použil sa tento prekurzor: redukované grafénové nanolisty sa pripravili Hummerovou metódou a spracovali v dvoch ďalších krokoch, oxidáciou grafitu a následnou redukciou oxidu grafénu. Tým sa vo vode získali dispergované grafénové nanodoštičky metódou dispergovania v rozpúšťadle (pozri schému nižšie). Grafitové vrstvy sa exfoliovali sonikáciou pomocou sondového sonikátora UP100H (100 W). V 150 mL deionizovanej vody sa rozpustilo 0,25 g SDS a potom sa pridalo 0,5 g grafitu. Roztok grafitu sa sonikoval 12h v ľadovom kúpeli a potom sa suspenzia centrifugovala pri 686× g počas 30 min, aby sa odstránili veľké častice. Zrazenina sa odstránila a supernatant sa opäť centrifugoval počas 90 min pri 12 600× g. Získané dispergované grafénové nanodoštičky sa niekoľkokrát dôkladne premyli, aby sa odstránila povrchovo aktívna látka. Nakoniec sa produkt vysušil pri 60ºC vo vákuu.

Snímky grafénových nanolistov z transmisného elektrónového mikroskopu s vysokým rozlíšením, získaných
ultrazvukom podporovaným dispergovaním vo vodnej fáze a Hummerovou metódou.
(Štúdia a grafické znázornenie: Ghanem a Rehim, 2018)

Aký je rozdiel medzi grafénovými listami a nanodoštičkami?

Grafénové listy aj grafénové nanodoštičky sú nanomateriály tvorené grafénom, ktorý predstavuje jednu vrstvu atómov uhlíka usporiadaných v hexagonálnej mriežke. Niekedy sa pojmy grafénové listy a grafénové nanodoštičky používajú zameniteľne. Z vedeckého hľadiska však medzi týmito grafénovými nanomateriálmi existuje niekoľko rozdielov: Hlavný rozdiel medzi grafénovými listami a grafénovými nanodoštičkami spočíva v ich štruktúre a hrúbke. Grafénové listy pozostávajú z jednej vrstvy atómov uhlíka a sú mimoriadne tenké, zatiaľ čo grafénové nanodoštičky sú hrubšie a pozostávajú z viacerých grafénových vrstiev uložených na sebe. Tieto štruktúrne rozdiely môžu ovplyvniť ich vlastnosti a vhodnosť na konkrétne použitie. Použitie sonikátorov sondového typu je vysoko účinnou a efektívnou technikou syntézy, dispergácie a funkcionalizácie jednovrstvových grafénových listov aj grafénových nanodoštičiek tvorených niekoľkými vrstvami uloženými na sebe.

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

Dispergácia grafénových nanodoštičiek pomocou sonikácie

Rovnomerná dispergácia grafénových nanodoštičiek (GNPs) je kľúčová pri rôznych aplikáciách, pretože priamo ovplyvňuje vlastnosti a výkonnosť výsledných materiálov alebo výrobkov. Preto sa v rôznych priemyselných odvetviach inštalujú sonikátory na prípravu disperzií grafénových nanodoštičiek. Nasledujúce odvetvia sú významnými príkladmi využitia výkonového ultrazvuku:
 

• Nanokompozity: Grafénové nanodoštičky možno začleniť do rôznych nanokompozitných materiálov, napríklad polymérov, na zlepšenie ich mechanických, elektrických a tepelných vlastností. Sonikátory sondového typu pomáhajú rovnomerne dispergovať nanodoštičky v polymérnej matrici, čím sa zlepšujú úžitkové vlastnosti materiálu.
• Elektródy a batérie: Grafénové nanodoštičky sa používajú pri vývoji vysokovýkonných elektród pre batérie a superkondenzátory. Sonikácia pomáha vytvárať dobre dispergované elektródové materiály na báze grafénu so zväčšenou plochou povrchu, čo zlepšuje schopnosť ukladať energiu.
• Katalýza: Sonikáciu možno použiť na prípravu katalytických materiálov na báze grafénových nanodoštičiek. Rovnomerná dispergácia katalytických nanočastíc na povrchu grafénu môže zvýšiť katalytickú aktivitu pri rôznych reakciách.
• Senzory: Grafénové nanodoštičky možno využiť pri výrobe senzorov na rôzne aplikácie vrátane detekcie plynov, biosenzoriky a monitorovania životného prostredia. Sonikácia zabezpečuje homogénne rozloženie nanodoštičiek v materiáloch senzorov, čo vedie k zlepšeniu citlivosti a výkonnosti.
• Povlaky a filmy: Sonikátory sondového typu sa používajú na prípravu povlakov a filmov na báze grafénových nanodoštičiek na použitie v elektronike, letectve a kozmonautike a v ochranných povlakoch. Pre tieto aplikácie sú kľúčové rovnomerná dispergácia a správna priľnavosť k podkladom.
• Biomedicínske aplikácie: V biomedicínskych aplikáciách možno grafénové nanodoštičky použiť na dodávanie liečiv, zobrazovanie a tkanivové inžinierstvo. Sonikácia pomáha pri príprave nanočastíc a kompozitov na báze grafénu používaných v týchto aplikáciách.

Snímky grafénových nanodoštičiek zo skenovacieho elektrónového mikroskopu (SEM) pri zväčšení (b) X3000 a (c) X8000
(Štúdia a snímky: ©Alizadeh et al., 2018)

Vedecky overené výsledky ultrazvukovej prípravy disperzií grafénových nanodoštičiek

Vedci použili sonikátory Hielscher na syntézu a dispergovanie grafénových nanoplatničiek v mnohých štúdiách a dôkladne skúmali účinky ultrazvukového pôsobenia. Nižšie nájdete niekoľko príkladov úspešného vmiešavania grafénových nanoplatničiek do rôznych zmesí, ako sú vodné suspenzie, epoxidové živice alebo malta.
 
Bežne používaný postup na spoľahlivé, rýchle a rovnomerné dispergovanie grafénových nanoplatničiek je nasledujúci:
Na dispergovanie sa grafénové nanoplatničky sonikovali v čistom acetóne pomocou ultrazvukového miešača Hielscher UP400S takmer jednu hodinu, aby sa zabránilo aglomerácii grafénových vrstiev. Acetón sa úplne odstránil odparením. Potom sa grafénové nanoplatničky pridali v množstve 1 wt % epoxidového systému a sonikovali sa v epoxidovej živici pri výkone 90W počas 15 minút.
(porov. Cakir et al., 2016)
 
Ďalšia štúdia skúma zlepšenie vlastností nanokvapalín na báze iónových kvapalín (iónových nanokvapalín) pridaním grafénových nanoplatničiek. Na dosiahnutie vynikajúcej disperzie sa zmes grafénových nanoplatničiek, iónovej kvapaliny a dodecylbenzénsulfonátu sodného homogenizovala pomocou sondového sonikátora Hielscher UP200S približne 90 min.
(porov. Alizadeh et al., 2018)

 
Tragazikis et al. (2019) uvádzajú účinné zapracovanie grafénových nanoplatničiek do malty. Na tento účel sa vodné suspenzie grafénu pripravili pridaním nanoplatničiek – v hmotnostných množstvách zodpovedajúcich požadovaným cieľovým obsahom vo výsledných materiáloch – do zmesí bežnej vody z vodovodu a plastifikátora a následným magnetickým miešaním počas 2 min. Suspenzie sa homogenizovali ultrazvukom počas 90 min pri izbovej teplote pomocou zariadenia Hielscher UP400S (Hielscher Ultrasonics GmbH) vybaveného 22mm sonotródou, ktorá dodávala energiu rýchlosťou 4500 J/min pri frekvencii 24 kHz. Konkrétna kombinácia rýchlosti dodávania energie a trvania sonikácie sa stanovila ako optimálna po dôkladnom preskúmaní vplyvu parametrov ultrazvukového pôsobenia na kvalitu suspenzie.
(porov. Tragazikis et al., 2019)
 
Zainal et al. (2018) vo svojom výskume uvádzajú, že vhodná dispergačná technika, ako je sonikácia, zabezpečuje, aby nanomateriály, ako sú grafénové nanoplatničky, mohli zlepšiť vlastnosti výplňových materiálov. Je to preto, že dispergovanie je jedným z najdôležitejších faktorov pri výrobe vysokokvalitných nanokompozitov, ako je epoxidová zálievková hmota.

Vysokovýkonné sonikátory na spracovanie grafénových nanoplatničiek

Hielscher Ultrasonics je lídrom na trhu vysokovýkonných ultrazvukových zariadení na spracovanie nanomateriálov. Sondové sonikátory Hielscher sa používajú na celom svete v laboratóriách a priemyselných prevádzkach na rôzne aplikácie vrátane spracovania grafénových nanoplatničiek.
Najmodernejšia technológia, nemecká remeselná a inžinierska zručnosť, ako aj dlhoročné technické skúsenosti robia zo spoločnosti Hielscher Ultrasonics vášho preferovaného partnera pre úspešné využitie ultrazvuku.

Návrh, výroba a poradenstvo – kvalita vyrobená v Nemecku

Ultrazvukové prístroje Hielscher sú známe svojimi najvyššími štandardmi kvality a konštrukčného vyhotovenia. Robustnosť a jednoduchá obsluha umožňujú bezproblémovú integráciu našich ultrazvukových prístrojov do priemyselných prevádzok. Ultrazvukové prístroje Hielscher ľahko zvládajú drsné podmienky a náročné prostredia.

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

Nasledujúca tabuľka poskytuje predstavu o približnej spracovateľskej kapacite našich ultrazvukových prístrojov: