Nanoplakëza grafeni të sintetizuara dhe të disperguara përmes sonikimit me sondë

Nanoplakëzat e grafenit (GNPs) mund të sintetizohen dhe të dispergohen me efikasitet dhe besueshmëri të lartë duke përdorur sonikatorë. Trajtimi me ultratinguj me intensitet të lartë përdoret për të eksfoliuar grafitin dhe për të përftuar grafen me pak shtresa, i cili shpesh quhet nanoplakëza grafeni. Sonikimi gjithashtu shquhet për arritjen e një shpërndarjeje të shkëlqyer të nanoplakëzave të grafenit si në suspensione me viskozitet të ulët, ashtu edhe në ato me viskozitet të lartë.

Përpunimi i nanoplakëzave të grafenit – Rezultate superiore me sonikim

Për përpunimin e nanoplakëzave të grafenit, sonikatorët me sondë janë mjetet më efikase, më të besueshme dhe më të lehta për t’u përdorur. Meqenëse trajtimi me ultratinguj mund të zbatohet për sintezën, dispergimin dhe funksionalizimin e nanoplakëzave të grafenit, sonikatorët përdoren për zbatime të shumta që lidhen me grafenin:

• Eksfoliimi dhe sinteza Sonikatorët me sondë përdoren për të eksfoliuar grafitin në grafen me pak shtresa ose në nanoplakëza grafeni. Trajtimi me ultratinguj me intensitet të lartë prish forcat ndërmjet shtresave dhe e zbërthen grafitin në fletë individuale më të vogla grafeni.
• Dispergimi: Arritja e një dispergimi të njëtrajtshëm të nanoplakëzave të grafenit në një mjedis të lëngshëm është thelbësore për të gjitha zbatimet që lidhen me grafenin. Sonikatorët me sondë mund t’i dispergojnë nanoplakëzat në mënyrë të njëtrajtshme në të gjithë lëngun, duke parandaluar aglomerimin dhe duke siguruar një suspension të qëndrueshëm.
• Funksionalizimi: Sonikimi lehtëson funksionalizimin e nanoplakëzave të grafenit duke nxitur lidhjen e grupeve funksionale ose të molekulave me sipërfaqet e tyre. Ky funksionalizim përmirëson përputhshmërinë e tyre me polimere ose materiale të caktuara.

Sinteza e nanoplakëzave të grafenit përmes sonikimit

Nanoplakëzat e grafenit mund të sintetizohen nëpërmjet eksfoliimit të grafitit të asistuar me ultratinguj. Për këtë qëllim, një suspension grafiti sonikohet duke përdorur një homogjenizues me ultratinguj me sondë. Kjo procedurë është testuar me përqendrime të lëndës së ngurtë nga shumë të ulëta (p.sh. 4wt% ose më pak) deri në të larta (p.sh. 10wt% ose më shumë).
 
Ghanem dhe Rehim (2018) raportojnë se eksfoliimi me ultratinguj i grafitit në ujë me ndihmën e dodecilbenzensulfonatit të natriumit (SDS), për të përgatitur nanoplakëza grafeni të disperguara duke përdorur sonikatorin me sondë UP 100H, mundësoi përgatitjen me sukses të grafenit pa defekte me pak shtresa (>5). U përdor pararendësi i mëposhtëm: nanofletë grafeni të reduktuara u përgatitën nëpërmjet metodës Hummer dhe u trajtuan me dy hapa shtesë, oksidimin e grafitit të ndjekur nga reduktimi i oksidit të grafenit. Kështu, nanoplakëza grafeni të disperguara u përftuan në ujë nëpërmjet metodës së dispergimit në tretës (shih skemën më poshtë). Shtresat e grafitit u eksfoliuan me sonikim duke përdorur sonikatorin me sondë UP100H (100 W). 0,25 g SDS u tretën në 150 mL ujë të dejonizuar dhe më pas u shtuan 0,5 g grafit. Tretësira e grafitit u sonikua për 12h në një banjë akulli dhe më pas tretësira e suspensionit u centrifugua në 686× g për 30 min për të larguar grimcat e mëdha. Precipitati u hodh dhe supernatanti u centrifugua përsëri për 90 min në 12 600× g. Nanoplakëzat e grafenit të disperguara që u përftuan u lanë mirë disa herë për të larguar lëndën tensioaktive. Në fund, produkti u tha në 60ºC nën vakum.

Imazhe nga mikroskopi elektronik me transmetim me rezolucion të lartë të nanofletëve të grafenit të përftuara
nëpërmjet dispergimit në fazë ujore të asistuar me ultratinguj dhe metodës Hummer.
(Studimi dhe grafika: Ghanem dhe Rehim, 2018)

Cili është dallimi ndërmjet fletëve të grafenit dhe nanoplakëzave?

Fletët e grafenit dhe nanopllakëzat e grafenit janë të dyja nanomateriale të përbëra nga grafeni, i cili është një shtresë e vetme atomesh karboni të renditura në një rrjetë gjashtëkëndore. Ndonjëherë, fletët e grafenit dhe nanopllakëzat e grafenit përdoren si terma të këmbyeshëm. Por nga pikëpamja shkencore, ka disa dallime midis këtyre nanomaterialeve të grafenit: dallimi kryesor midis fletëve të grafenit dhe nanopllakëzave të grafenit qëndron në strukturën dhe trashësinë e tyre. Fletët e grafenit përbëhen nga një shtresë e vetme atomesh karboni dhe janë jashtëzakonisht të holla, ndërsa nanopllakëzat e grafenit janë më të trasha dhe përbëhen nga shumë shtresa grafeni të vendosura njëra mbi tjetrën. Këto dallime strukturore mund të ndikojnë në vetitë e tyre dhe në përshtatshmërinë për zbatime të caktuara. Përdorimi i sonikatorëve me sondë është një teknikë shumë e efektshme dhe efikase për sintetizimin, dispergimin dhe funksionalizimin e fletëve njështresore të grafenit, si dhe të nanopllakëzave të grafenit me pak shtresa të vendosura njëra mbi tjetrën.

Grafik që ilustron sintezën me ultratinguj të nanopllakëzave të grafenit duke përdorur sonikatorin UP100H
(Studimi dhe grafiku: Ghanem dhe Rehim, 2018)

Dispergimi i nanopllakëzave të grafenit me anë të sonikimit

Dispergimi i njëtrajtshëm i nanopllakëzave të grafenit (GNPs) është thelbësor në zbatime të ndryshme, sepse ndikon drejtpërdrejt në vetitë dhe performancën e materialeve ose produkteve që përftohen. Prandaj, sonikatorët instalohen në industri të ndryshme për dispergimin e nanopllakëzave të grafenit. Industritë e mëposhtme janë shembuj të spikatur të përdorimit të ultratingujve me fuqi të lartë:
 

• Nanokompozitet: Nanopllakëzat e grafenit mund të përfshihen në materiale të ndryshme nanokompozite, si polimeret, për të përmirësuar vetitë e tyre mekanike, elektrike dhe termike. Sonikatorët me sondë ndihmojnë në dispergimin e njëtrajtshëm të nanopllakëzave brenda matricës polimerike, duke përmirësuar kështu performancën e materialit.
• Elektrodat dhe bateritë: Nanopllakëzat e grafenit përdoren në zhvillimin e elektrodave me performancë të lartë për bateri dhe superkondensatorë. Sonikimi ndihmon në krijimin e materialeve të elektrodave me bazë grafeni, të disperguara mirë dhe me sipërfaqe të rritur, gjë që përmirëson aftësitë e ruajtjes së energjisë.
• Kataliza: Sonikimi mund të përdoret për të përgatitur materiale katalitike me bazë nanopllakëzash grafeni. Dispergimi i njëtrajtshëm i nanogrimcave katalitike mbi sipërfaqen e grafenit mund të rrisë aktivitetin katalitik në reaksione të ndryshme.
• Sensorët: Nanopllakëzat e grafenit mund të përdoren në prodhimin e sensorëve për zbatime të ndryshme, përfshirë detektimin e gazeve, detektimin biologjik dhe monitorimin mjedisor. Sonikimi siguron shpërndarjen homogjene të nanopllakëzave në materialet e sensorëve, duke çuar në përmirësimin e ndjeshmërisë dhe performancës.
• Veshjet dhe filmat: Sonikatorët me sondë përdoren për të përgatitur veshje dhe filma me bazë nanopllakëzash grafeni për zbatime në elektronikë, në sektorin aerohapësinor dhe në veshjet mbrojtëse. Dispergimi i njëtrajtshëm dhe ngjitja e duhur në substrate janë thelbësore për këto zbatime.
• Zbatimet biomjekësore: Në zbatimet biomjekësore, nanopllakëzat e grafenit mund të përdoren për transportimin e barnave, imazherinë dhe inxhinierinë e indeve. Sonikimi ndihmon në përgatitjen e nanogrimcave dhe kompoziteve me bazë grafeni që përdoren në këto zbatime.

Imazhe SEM të nanopllakëzave të grafenit me zmadhim (b) X3000 dhe (c) X8000
(Studimi dhe imazhet: ©Alizadeh et al., 2018)

Rezultate të vërtetuara shkencërisht për dispersionet e nanopllakëzave të grafenit të përgatitura me ultratinguj

Shkencëtarët kanë përdorur sonikatorët Hielscher për sintezën dhe dispergimin e nanopllakëzave të grafenit në studime të shumta dhe kanë testuar me rigorozitet efektet e trajtimit me ultratinguj. Më poshtë mund të gjeni disa shembuj të përzierjes së suksesshme të nanopllakëzave të grafenit në përzierje të ndryshme, si suspensione ujore me grimca të ngurta, rrëshira epokside ose llaç.
 
Një procedurë e zakonshme për dispergimin e besueshëm, të shpejtë dhe uniform të nanopllakëzave të grafenit është procedura e mëposhtme:
Për dispergim, nanopllakëzat e grafenit u sonikuan në aceton të pastër duke përdorur përzierësin me ultratinguj Hielscher UP400S për pothuajse një orë, me qëllim parandalimin e aglomerimit të fletëve të grafenit. Acetoni u largua plotësisht me avullim. Më pas, nanopllakëzat e grafenit u shtuan në masën 1 wt % të sistemit epoksid dhe u sonikuan në rrëshirën epokside në 90W për 15 minuta.
(shih Cakir et al., 2016)
 
Një studim tjetër shqyrton përforcimin e nanofluideve me bazë lëngjesh jonike (ionanofluideve) duke shtuar nanopllakëza grafeni. Për dispergim më të mirë, përzierja e nanopllakëzave të grafenit, lëngut jonik dhe dodecilbenzensulfonatit të natriumit u homogjenizua duke përdorur sonikatorin Hielscher UP200S të tipit sondë për rreth 90 min.
(shih Alizadeh et al., 2018)

 
Tragazikis et al. (2019) raportojnë përfshirjen efektive të nanopllakëzave të grafenit në llaç. Për këtë qëllim, suspensionet ujore të grafenit u prodhuan duke shtuar nanopllakëza – në masa të përcaktuara nga përmbajtjet e synuara të dëshiruara në materialet përfundimtare – në përzierje uji të zakonshëm rubineti dhe plastifikuesi, të ndjekura nga përzierja magnetike për 2 min. Suspensionet u homogjenizuan me ultratinguj për 90 min në temperaturë dhome, duke përdorur një pajisje Hielscher UP400S (Hielscher Ultrasonics GmbH) të pajisur me një sonotrodë 22mm që jepte një fuqi prej 4500 J/min në një frekuencë prej 24 kHz. Kombinimi specifik i shpejtësisë së furnizimit me energji dhe kohëzgjatjes së sonikimit u përcaktua si optimal pas një hetimi të hollësishëm të efektit të parametrave të trajtimit me ultratinguj në cilësinë e suspensionit.
(shih Tragazikis et al., 2019)
 
Zainal et al. (2018) pohojnë në kërkimin e tyre se një teknikë e përshtatshme dispergimi, si sonikimi, siguron që nanomaterialet, si nanopllakëzat e grafenit, të mund të përmirësojnë vetitë e materialeve mbushëse. Kjo për faktin se dispergimi është një nga faktorët më të rëndësishëm për prodhimin e nanokompoziteve me cilësi të lartë, si llaçi mbushës epoksid.

Sonikatorë me performancë të lartë për përpunimin e nanopllakëzave të grafenit

Hielscher Ultrasonics është lideri i tregut për pajisjet me ultratinguj me performancë të lartë për përpunimin e nanomaterialeve. Sonikatorët Hielscher të tipit sondë përdoren në mbarë botën në laboratorë dhe mjedise industriale për zbatime të ndryshme, përfshirë përpunimin e nanopllakëzave të grafenit.
Teknologjia më e avancuar, mjeshtëria dhe inxhinieria gjermane, si dhe përvoja teknike shumëvjeçare e bëjnë Hielscher Ultrasonics partnerin tuaj të preferuar për zbatimin e suksesshëm të ultratingujve.

Projektim, prodhim dhe këshillim – Cilësi e prodhuar në Gjermani

Pajisjet me ultratinguj Hielscher njihen për standardet e tyre më të larta të cilësisë dhe projektimit. Qëndrueshmëria dhe përdorimi i lehtë mundësojnë integrimin pa vështirësi të pajisjeve tona me ultratinguj në impiantet industriale. Pajisjet me ultratinguj Hielscher i përballojnë lehtësisht kushtet e ashpra dhe mjediset kërkuese.

Hielscher Ultrasonics është një kompani e certifikuar sipas ISO dhe i kushton vëmendje të veçantë pajisjeve me ultratinguj me performancë të lartë, që ofrojnë teknologjinë më të përparuar dhe lehtësi përdorimi. Sigurisht, pajisjet me ultratinguj Hielscher janë në përputhje me CE dhe përmbushin kërkesat e UL, CSA dhe RoHs.

Tabela më poshtë ju jep një ide për kapacitetin e përafërt të përpunimit të pajisjeve tona me ultratinguj: