Xenes so 2D monoelementni nanomateriali z izrednimi lastnostmi, kot so zelo visoka površina, anizotropne fizikalne / kemijske lastnosti, vključno z vrhunsko električno prevodnost ali natezno trdnost. Ultrazvočno piling ali delaminacija je učinkovita in zanesljiva tehnika za izdelavo enoslojnih 2D nanosheetov iz plastnih predhodnih materialov. Ultrazvočni piling je že vzpostavljen za proizvodnjo visokokakovostnih xenes nanosheetov v industrijskem obsegu.

Xenes – Monoplastne nanostrukture

Xenes so monolayer (2D), monoelementni nanomateriali, ki imajo grafen podobno strukturo, znotrajplastno kovalentno vez, in šibke van der Waals sile med plastmi. Primeri za materiale, ki so del razreda ksenov, so borofen, silicen, germanen, stanen, fosforen (črni fosfor), arsen, bizmuten ter telluren in antimone. Zaradi svoje enoslojna 2D struktura, xenes nanomateriali so charcterized z zelo veliko površino, kot tudi izboljšane kemične in fizične reaktivnosti. Te strukturne lastnosti dajejo xenes nanomaterialom impresivne fotonske, katalitične, magnetne in elektronske lastnosti ter naredijo te nanostrukture zelo zanimive za številne industrijske aplikacije. Slika levo prikazuje SEM slike ultrazvočno piling borophene.

Proizvodnja Xenes nanomaterialov z ultrazvočno delaminacijo

Tekoče piling plastenih nanomaterialov: Enoslojni 2D nanosheeti so izdelani iz anorganskih materialov z plastenimi strukturami (npr. grafit), ki so sestavljeni iz lahko naloženih gostiteljskih plasti, ki prikazujejo raztegovanje galerije plasti v plast ali otekanje ob interakciji določenih ionov in/ali topil. Piling, pri katerem se plastna faza razčleni v nanosheete, običajno spremlja oteklino zaradi hitro oslabljenih elektrostatskih privlačnosti med plastmi, ki proizvajajo koloidne disperzije posameznih 2D plasti ali listov. (prim. Geng et al, 2013) Na splošno je znano, da oteklina olajša piling z ultrasonication in rezultati negativno napolnjene nanosheets. Kemična predpodela omogoča tudi piling s pomočjo sonikacije v topilih. Funkcionalnost na primer omogoča piling plastenih dvojnih hidroksidov (LDH) v alkoholih. (prim. Nicolosi et al., 2013)
Za ultrazvočno piling / delaminacijo je plasten material izpostavljen močnim ultrazvočnim valovom v topilu. Ko se energijsko gosto ultrazvočni valovi spojijo v tekočino ali slurry, se pojavi akustična alias ultrazvočna kavitacija. Za ultrazvočno kavitacijo je značilen kolaps vakumskih mehurčkov. Ultrazvočni valovi potujejo skozi tekočino in ustvarjajo izmenično nizek tlak / visokotlačne cikle. Minutni vakumski mehurčki nastanejo med nizkotlačno (redkofakcijo) cikla in rastejo nad različnimi nizkotlačni / visokotlačni cikli. Ko kavitacijni mehurček doseže točko, kjer ne more absorbirati nobene nadaljnje energije, mehurček močno implodira in ustvarja lokalno zelo energijsko goste razmere. Kavitacialno vroče mesto je določeno z zelo visokimi tlaki in temperaturo, ustreznimi pritiski in temperaturnimi razliko, hitrimi tekočimi mlaži in silami smika. Te sonomehanske in sonokemične sile potiskajo topilo med naloženimi plastmi ter razčlenjenimi plastmi delcev in kristalnimi strukturami, s čimer proizvajajo pilirane nanosheete. Spodnja slika prikazuje proces pilinga z ultrazvočno kavitacijo.

Hitro zaporedje (od a do f) okvirjev, ki prikazujejo sono-mehansko piling grafitnega kosmiča v vodi z uporabo UP200S, ultrasonicator 200W 3-mm sonotrodo. Puščice prikazujejo mesto razcepa (pilinga) s kavitacijo mehurčki, ki se penetracijo razcepi.
© Tyurnina et al. 2020 (CC BY-NC-ND 4.0)

Modeliranje je pokazalo, da bo, če je površinska energija topila podobna energiji plastnega materiala, energijska razlika med piliranimi in ponovno združenimi državami zelo majhna, s tem pa se odstrani gonilna sila za ponovno združevanje. V primerjavi z alternativnimi metodami mešanja in strižanja so ultrazvočni agitatorji zagotovili učinkovitejši vir energije za piling, kar je privedlo do demonstracije ionska interkalation-asisted piling tas₂, NbS₂, in MoS₂, kot tudi plasti oksidov. (prim. Nicolosi et al., 2013)

TEM slike ultrazvočno tekoče piling nanosheet: (A) Grafen nanosheet piling s sonication v topilo N-metil-pirolidon. (B) Nano list h-BN, ki se z sonikacijo v izopropanolu topila. (C) Nano list MoS2, ki se z sonikacijo raztopina za površinsko aktivna sredstva raztopina raztopine raztopine za površinsko aktivna sredstva.
(Študija in slike: ©Nicolosi et al., 2013)

Ultrazvočni protokoli za piling tekočin

Ultrazvočno piling in delaminacija ksena in drugih monoplastnih nanomaterialov je bila obsežno raziskana v raziskavah in je bila uspešno prenesena na stopnjo industrijske proizvodnje. Spodaj vam predstavljamo izbrane piling protokole z uporabo sonication.

Ultrazvočno piling fosforena nanoflakes

Fosforen (znan tudi kot črni fosfor, BP) je 2D plasten, monoelementalni material, ki je tvoren iz fosforjevih atomov.
V raziskavah Passaglia et al. (2018) se dokaže priprava stabilnih suspenzija fosforena − metil metakrilata s sonication-assisted tekočinsko fazno pilingom (LPE) bP v prisotnosti MMA, ki mu sledi radikalna polimerizacija. Metil metakrilat (MMA) je tekoči monomer.

Protokol za ultrazvočno tekoče piling fosforena

MMA_bPn, NVP_bPn in Sty_bPn suspenzije je LPE pridobila v prisotnosti izd. V tipičnem postopku so ∼5 mg bP, skrbno zdrobljene v malti, dali v epruveto in nato dodali tehtano količino MMA, Sty ali NVP. Monomerni vzmetenje bP je bil soniciiran 90 min z uporabo Hielscher Ultrasonics homogenizator UP200St (200W, 26kHz), opremljen s sonotrode S26d2 (premer konice: 2 mm). Ultrazvočna amplituda je bila ohranjana konstantna pri 50% s P = 7 W. V vseh primerih je bila ledena kopel uporabljena za izboljšano toplotno disipacijo. Končna MMA_bPn, NVP_bPn in Sty_bPn vzmetenja so bila nato 15 min insufliran z N2. Vse vzmetenja je analiziral DLS, ki je pokazal vrednosti RH res blizu vrednosti DMSO_bPn. Za suspenzijo MMA_bPn (z približno 1% vsebnostjo bP) je bilo na primer značilno rH = 512 ± 58 nm.
Medtem ko druge znanstvene študije o fosforenu poročajo o času sonikacije več ur z uporabo ultrazvočnega čistila, topila z visokim vreliščem in nizko učinkovitostjo, raziskovalna skupina Passaglia dokazuje zelo učinkovit ultrazvočni piling protokol z ultrazvočnim ultrasonicatorjem tipa sonde (in sicer Hielscher ultrazvočni model UP200St).

Ultrazvočno piling monolayer nanosheets

Če želite prebrati več podrobnosti in protokolov pilinga za borophene in ruthenium oksid nanosheets, sledite spodnjim povezavam:
Borophene: Za protokole sonikacije in rezultate ultrazvočnega pilinga borophena kliknite tukaj!
RuO2: Za protokole sonication in rezultate ultrazvočnega rutenijevega oksida nanosheet piling, prosim kliknite tukaj!

Ultrazvočno piling malo-plasti Silica Nanosheets

Malo plastni piling silicijevih nanosheetov so bili pripravljeni iz naravnega vermikulita (Verm) preko ultrazvočnega pilinga. Za sintezo piling silicijevih nanosheetov je bila uporabljena naslednja tekoča-fazna metoda pilinga: 40 mg silicijevih nanosheetov so razpršili v 40 ml absolutnega etanola. Nato je bila mešanica ultrazvočna za 2 h z uporabo Hielscher ultrazvočni procesor UP200St, opremljen s 7 mm sonotrode. Amplituda ultrazvočnega vala je bila konstantna pri 70%. Nanesena je bila ledena kopel, da se izognemo se gretju. Neeksfoliirani SN so odstranili s centrifugacijo pri 1000 vrt/min 10 min. Na koncu je bil izdelek dekodran in posušen pri sobni temperaturi pod sesajo čez noč. (prim. Guo et al., 2022)

Ultrazvočne sonde visoke moči in reaktorji za piling Xenes nanosheetov

Hielscher Ultrasonics modeli, izdelave, in distribuira robustne in zanesljive ultrazvočnikov v kateri koli velikosti. Od kompaktnih laboratorijskih ultrazvočnih naprav do industrijskih ultrazvočnih sond in reaktorjev, Hielscher ima idealen ultrazvočni sistem za vaš proces. Z dolgotrajnimi izkušnjami v aplikacijah, kot sta nanomaterijska sinteza in disperzija, vam bo naše dobro usposobljeno osebje priporočilo najbolj primerno namestitev za vaše zahteve. Hielscher industrijski ultrazvočni predelovalci so znani kot zanesljivi delovni konji v industrijskih objektih. Zmožen zagotoviti zelo visoke amplitude, Hielscher ultrasonicatorji so idealni za visokozmogljive aplikacije, kot so sinteza ksena in drugih 2D monoplastnih nanomaterialov, kot so borophen, fosforen ali grafen, kot tudi zanesljivo disperzijo teh nanostruktur.
Izredno močan ultrazvok: Hielscher Ultrazvočna’ industrijski ultrazvočni predelovalci lahko dostavijo zelo visoke amplitude. Amplitude do 200μm je mogoče enostavno neprekinjeno izvajati v 24/7 operaciji. Za še višje amplitude so na voljo prilagojeni ultrazvočni sonotrodi.
Najvišja kakovost – Izdelano in izdelano v Nemčiji: Vsa oprema je zasnovana in izdelana v našem sedežu v Nemčiji. Pred dostavo kupcu se vsaka ultrazvočna naprava skrbno testira pod polno obremenitvijo. Prizadevamo si za zadovoljstvo strank, naša proizvodnja pa je strukturirana tako, da izpolnjuje najvišje zagotavljanje kakovosti (npr. iso certificiranje).

V spodnji tabeli vam daje podatek o približni zmogljivosti obdelave naših ultrasonicators: