Ako dispergovať jednostenné uhlíkové nanorúrky jednotlivo

Jednostenné uhlíkové nanorúrky (SWNTs alebo SWCNTs) majú jedinečné vlastnosti, ale aby sa tieto vlastnosti prejavili, musia byť dispergované jednotlivo. Na plné využitie výnimočných vlastností jednostenných uhlíkových nanorúrok je potrebné nanorúrky čo najúplnejšie rozpliesť. SWNTs vykazujú podobne ako iné nanočastice veľmi silné príťažlivé sily, preto je na spoľahlivú deaglomeráciu a dispergovanie potrebná výkonná a účinná technika. Zatiaľ čo bežné techniky miešania neposkytujú intenzitu potrebnú na rozpletenie SWNTs bez ich poškodenia, vysokovýkonný ultrazvuk preukázateľne rozpletá a disperguje SWCNTs. Kavitačné šmykové sily generované ultrazvukom sú dostatočne silné na prekonanie väzbových síl, pričom intenzitu ultrazvuku možno presne nastaviť tak, aby sa zabránilo poškodeniu SWCNTs.

Problém:

Jednostenné uhlíkové nanorúrky (SWCNTs) sa od viacstenných uhlíkových nanorúrok (MWNTs/ MWCNTs) líšia svojimi elektrickými vlastnosťami. Šírka zakázaného pásma SWCNTs sa môže pohybovať od nuly do 2 eV a ich elektrická vodivosť má kovový alebo polovodičový charakter. Keďže jednostenné uhlíkové nanorúrky vykazujú vysokú súdržnosť, jednou z hlavných prekážok pri spracovaní SWCNTs je prirodzená nerozpustnosť nanorúrok v organických rozpúšťadlách alebo vo vode. Na využitie plného potenciálu SWCNTs je potrebný jednoduchý, spoľahlivý a škálovateľný proces deaglomerácie nanorúrok. Najmä funkcionalizácia bočných stien alebo otvorených koncov CNT s cieľom vytvoriť vhodné rozhranie medzi SWCNTs a organickým rozpúšťadlom vedie iba k čiastočnej exfoliácii SWCNTs. Preto sú SWCNTs väčšinou dispergované vo forme zväzkov, a nie jednotlivých deaglomerovaných povrazcov. Ak sú podmienky počas dispergovania príliš drsné, SWCNTs sa skrátia na dĺžky od 80 do 200nm. Pre väčšinu praktických aplikácií, t. j. pre polovodičové alebo výstužné SWCNTs, je táto dĺžka príliš malá.

Riešenie:

Ultrazvukové spracovanie je veľmi účinná metóda dispergovania a deaglomerácie uhlíkových nanorúrok, pretože ultrazvukové vlny s vysokou intenzitou vytvárajú v kvapalinách kavitáciu. Zvukové vlny šíriace sa v kvapalnom prostredí spôsobujú striedanie cyklov vysokého tlaku (stláčania) a nízkeho tlaku (zrieďovania), pričom rýchlosť ich striedania závisí od frekvencie. Počas cyklu nízkeho tlaku vytvárajú ultrazvukové vlny s vysokou intenzitou v kvapaline malé vákuové bubliny alebo dutiny. Keď bubliny dosiahnu objem, pri ktorom už nedokážu absorbovať energiu, počas cyklu vysokého tlaku prudko skolabujú. Tento jav sa nazýva kavitácia. Počas implózie sa lokálne dosahujú veľmi vysoké teploty (približne 5 000K) a tlaky (približne 2 000atm). Implózia kavitačnej bubliny tiež vytvára prúdy kvapaliny s rýchlosťou až 280m/s. Tieto prúdy kvapaliny vznikajúce v dôsledku ultrazvukovej kavitácie, prekonávajú väzbové sily medzi uhlíkovými nanorúrkami, čím dochádza k deaglomerácii nanorúrok. Šetrné, riadené ultrazvukové spracovanie je vhodnou metódou na vytváranie suspenzií dispergovaných SWCNTs s veľkou dĺžkou, stabilizovaných povrchovo aktívnymi látkami. Ultrazvukové procesory Hielscher umožňujú pri riadenej výrobe SWCNTs pracovať so širokou škálou nastavení ultrazvukových parametrov. Amplitúdu ultrazvuku, tlak kvapaliny a zloženie kvapaliny možno meniť podľa konkrétneho materiálu a procesu. To poskytuje rôzne možnosti nastavenia, napríklad

• amplitúdy sonotródy až do 170 mikrometrov
• tlaky kvapaliny až do 10 barov
• prietoky kvapaliny až do 15L/min (v závislosti od procesu)
• teploty kvapaliny až do 80 degC (iné teploty na vyžiadanie)
• viskozitu materiálu až do 100 000cp

 

Ultrazvukové spracovanie ako metóda čistenia za pomoci polyméru navyše umožňuje účinne odstraňovať nečistoty zo SWCNTs v stave po raste. Štúdium chemickej modifikácie SWCNTs na molekulárnej úrovni je náročné, pretože je ťažké získať čisté SWNTs. SWCNTs v stave po raste obsahujú mnohé nečistoty, napríklad kovové častice a amorfné formy uhlíka. Ultrazvukové spracovanie SWCNTs v roztoku poly(metylmetakrylátu) PMMA v monochlórbenzéne (MCB) s následnou filtráciou je účinný spôsob čistenia SWCNTs. Táto metóda čistenia za pomoci polyméru umožňuje účinne odstraňovať nečistoty zo SWCNTs v stave po raste. Presné riadenie amplitúdy ultrazvuku umožňuje zabrániť poškodeniu SWCNTs alebo ho obmedziť.

Ultrazvukové zariadenia

Hielscher ponúka vysokovýkonné ultrazvukové procesory na sonikáciu ľubovoľného objemu. Ultrazvukové zariadenia s výkonom od 50 wattov až do 16 000 wattov, ktoré možno zoskupovať do zostáv, umožňujú nájsť vhodné ultrazvukové zariadenie pre každú aplikáciu v laboratóriu aj v priemysle. Na náročné dispergovanie nanorúrok sa odporúča kontinuálna sonikácia. Použitím prietokových ciel Hielscher je možné dispergovať CNT do kvapalín so zvýšenou viskozitou, ako sú polyméry, vysoko viskózne taveniny a termoplasty.

Kliknite sem a prečítajte si viac o dispergovaní a modifikácii nanorúrok pomocou vysokovýkonného ultrazvuku!