Eksfolimi me ultratinguj i materialeve xene

Materialet xene janë nanomateriale 2D monoelementare me veti të jashtëzakonshme, si sipërfaqe specifike shumë të madhe dhe veti fizike / kimike anizotrope, përfshirë përçueshmëri elektrike ose rezistencë në tërheqje superiore. Eksfolimi ose delaminimi me ultratinguj është një teknikë efikase dhe e besueshme për prodhimin e nanofletëve 2D me një shtresë nga materiale pararendëse me strukturë shtresore. Eksfolimi me ultratinguj është tashmë një metodë e konsoliduar për prodhimin e nanofletëve xene me cilësi të lartë në shkallë industriale.

Materialet xene – Nanostruktura monoshtresore

Materialet xene janë nanomateriale monoelementare monoshtresore (2D), të cilat kanë strukturë të ngjashme me grafenin, lidhje kovalente brenda shtresës dhe forca të dobëta van der Waals ndërmjet shtresave. Shembuj të materialeve që bëjnë pjesë në klasën xene janë borofeni, siliceni, germaneni, staneni, fosforeni (fosfori i zi), arseneni, bismuteni, telureni dhe antimoneni. Për shkak të strukturës së tyre 2D me një shtresë, nanomaterialet xene karakterizohen nga një sipërfaqe shumë e madhe, si dhe nga reaktivitete kimike dhe fizike të përmirësuara. Këto karakteristika strukturore u japin nanomaterialeve xene veti mbresëlënëse fotonike, katalitike, magnetike dhe elektronike dhe i bëjnë këto nanostruktura shumë interesante për zbatime të shumta industriale. Figura në të majtë paraqet imazhe SEM të borofenit të eksfoliuar me ultratinguj.

Prodhimi i nanomaterialeve xene duke përdorur delaminimin me ultratinguj

Eksfolimi në lëng i nanomaterialeve shtresore: Nanofletët 2D me një shtresë prodhohen nga materiale inorganike me struktura shtresore (p.sh., grafiti), të cilat përbëhen nga shtresa pritëse të stivuara lirshëm, ku hapësira ndërmjet shtresave zgjerohet ose fryhet gjatë interkalimit të joneve dhe/ose tretësve të caktuar. Eksfolimi, gjatë të cilit faza shtresore ndahet në nanofletë, zakonisht shoqëron fryrjen për shkak të dobësimit të shpejtë të tërheqjeve elektrostatike ndërmjet shtresave, duke prodhuar dispersione koloidale të shtresave ose fletëve individuale 2D. (shih Geng et al, 2013) Në përgjithësi, dihet se fryrja lehtëson eksfolimin me ultratinguj dhe jep nanofletë me ngarkesë negative. Paratrajtimi kimik gjithashtu lehtëson eksfolimin nëpërmjet sonikimit në tretës. Për shembull, funksionalizimi mundëson eksfolimin e hidroksideve të dyfishta shtresore (LDHs) në alkoole. (shih Nicolosi et al., 2013)
Për eksfolimin / delaminimin me ultratinguj, materiali shtresor ekspozohet ndaj valëve të fuqishme të ultratingujve në një tretës. Kur valët e ultratingujve me dendësi të lartë energjie çiftëzohen me një lëng ose suspension, ndodh kavitacioni akustik, i njohur edhe si kavitacion ultrasonik. Kavitacioni ultrasonik karakterizohet nga shembja e flluskave të vakumit. Valët e ultratingujve përhapen nëpër lëng dhe krijojnë cikle të alternuara me presion të ulët / presion të lartë. Flluskat shumë të vogla të vakumit formohen gjatë një cikli me presion të ulët (rrallim) dhe rriten gjatë disa cikleve me presion të ulët / presion të lartë. Kur një flluskë kavitacioni arrin pikën ku nuk mund të përthithë më energji, ajo shembet vrullshëm nga brenda dhe krijon lokalisht kushte me dendësi shumë të lartë energjie. Një pikë e nxehtë kavitacioni karakterizohet nga presione dhe temperaturë shumë të larta, diferenca përkatëse të presionit dhe temperaturës, rryma lëngu me shpejtësi të lartë dhe forca prerëse. Këto forca sonomekanike dhe sonokimike e shtyjnë tretësin ndërmjet shtresave të stivuara dhe shpërbëjnë strukturat shtresore grimcore dhe kristalore, duke prodhuar kështu nanofletë të eksfoliuara. Vargu i imazheve më poshtë demonstron procesin e eksfolimit nëpërmjet kavitacionit ultrasonik.

Një varg kuadrosh të regjistruara me shpejtësi të lartë (nga a në f), që ilustron eksfolimin sonomekanik të një petëze grafiti në ujë duke përdorur UP200S, një sonikator 200W me sonotrodë 3-mm. Shigjetat tregojnë vendin e ndarjes (eksfolimit), ku flluskat e kavitacionit depërtojnë në çarje.
© Tyurnina et al. 2020 (CC BY-NC-ND 4.0)

Modelimi ka treguar se, nëse energjia sipërfaqësore e tretësit është e ngjashme me atë të materialit shtresor, diferenca e energjisë ndërmjet gjendjeve të eksfoliuara dhe të riagreguara do të jetë shumë e vogël, duke eliminuar forcën shtytëse për riagregimin. Krahasuar me metodat alternative të përzierjes dhe të prerjes, përzierësit ultrasonikë siguruan një burim më efektiv energjie për eksfolim, duke çuar në demonstrimin e eksfolimit të ndihmuar nga ndërfutja e joneve të TaS₂, NbS₂ dhe MoS₂, si edhe të oksideve shtresore. (shih Nicolosi et al., 2013)

Imazhe TEM të nanofletëve të eksfoliuara me ultratinguj në mjedis të lëngshëm: (A) Një nanofletë grafeni e eksfoliuar nëpërmjet sonikimit në tretësin N-metil-pirrolidon. (B) Një nanofletë h-BN e eksfoliuar nëpërmjet sonikimit në tretësin izopropanol. (C) Një nanofletë MoS2 e eksfoliuar nëpërmjet sonikimit në një tretësirë ujore të një lënde tensioaktive.
(Studimi dhe imazhet: ©Nicolosi et al., 2013)

Protokolle të eksfolimit ultrasonik në mjedis të lëngshëm

Eksfolimi dhe delaminimi ultrasonik i kseneve dhe i nanomaterialeve të tjera njështresore janë studiuar gjerësisht në kërkimin shkencor dhe janë transferuar me sukses në fazën e prodhimit industrial. Më poshtë ju paraqesim protokolle të përzgjedhura të eksfolimit duke përdorur sonikimin.

Eksfolimi ultrasonik i nanofletëzave të fosforenit

Fosforeni (i njohur edhe si fosfor i zi, BP) është një material shtresor 2D, i përbërë nga një element i vetëm dhe i formuar nga atome fosfori.
Në studimin e Passaglia et al. (2018), demonstrohet përgatitja e suspensioneve të qëndrueshme të fosforenit – metakrilatit të metilit nëpërmjet eksfolimit në fazë të lëngshme (LPE) të bP, të ndihmuar nga sonikimi në prani të MMA, pasuar nga polimerizimi radikalor. Metakrilati i metilit (MMA) është një monomer i lëngshëm.

Protokoll për eksfolimin ultrasonik të fosforenit në mjedis të lëngshëm

Suspensionet MMA_bPn, NVP_bPn dhe Sty_bPn u përftuan me LPE në prani vetëm të monomerit përkatës. Në një procedurë tipike, ∼5 mg bP, i grimcuar me kujdes në një havan, u vendos në një epruvetë dhe më pas u shtua një sasi e peshuar MMA, Sty ose NVP. Suspensioni i bP në monomer iu nënshtrua sonikimit për 90 min duke përdorur një homogjenizues Hielscher Ultrasonics UP200St (200W, 26kHz), të pajisur me sonotrodën S26d2 (diametri i majës: 2 mm). Amplituda ultrasonike u mbajt konstante në 50% me P = 7 W. Në të gjitha rastet, u përdor një banjë akulli për shpërndarje më të mirë të nxehtësisë. Më pas, në suspensionet përfundimtare MMA_bPn, NVP_bPn dhe Sty_bPn u fry N2 për 15 min. Të gjitha suspensionet u analizuan me DLS, duke treguar vlera të rH shumë pranë asaj të DMSO_bPn. Për shembull, suspensioni MMA_bPn (me përmbajtje bP rreth 1%) u karakterizua nga rH = 512 ± 58 nm.
Ndërsa studime të tjera shkencore mbi fosforenin raportojnë kohë sonikimi prej disa orësh duke përdorur një pastrues ultrasonik, tretës me pikë të lartë vlimi dhe efikasitet të ulët, ekipi kërkimor i Passaglia demonstron një protokoll eksfolimi ultrasonik me efikasitet shumë të lartë duke përdorur një ultrasonikator të tipit sondë (konkretisht modelin UP200St të ultrasonikatorit Hielscher).

Eksfolimi ultrasonik i nanofletëve njështresore

Për të lexuar hollësi më specifike dhe protokolle eksfolimi për nanofletët e borofenit dhe të oksidit të ruteniumit, ju lutemi ndiqni lidhjet më poshtë:
Borofeni: Për protokollet e sonikimit dhe rezultatet e eksfolimit ultrasonik të borofenit, ju lutemi klikoni këtu!
RuO2: Për protokollet e sonikimit dhe rezultatet e eksfolimit ultrasonik të nanofletëve të oksidit të ruteniumit, ju lutemi klikoni këtu!

Eksfolimi ultrasonik i nanofletëve të silicës me pak shtresa

Nanofletë të eksfoliuara të silicës me pak shtresa u përgatitën nga vermikuliti natyror (Verm) nëpërmjet eksfolimit me ultratinguj. Për sintezën e nanofletëve të eksfoliuara të silicës u zbatua metoda e mëposhtme e eksfolimit në fazë të lëngët: 40 mg nanofletë silice u disperguan në 40 mL etanol absolut. Më pas, përzierja u trajtua me ultratinguj për 2 h duke përdorur një procesor ultrasonik Hielscher UP200St, të pajisur me një sonotrodë 7 mm. Amplituda e valës ultrasonike u mbajt konstante në 70%. U përdor një banjë akulli për të shmangur mbinxehjen. SN të paeksfoliuara u larguan me centrifugim në 1000 rpm për 10 min. Në fund, produkti u dekantua dhe u tha në temperaturën e dhomës nën vakum gjatë natës. (shih Guo et al., 2022)

Sonda dhe reaktorë ultrasonikë me fuqi të lartë për eksfolimin e nanofletëve të xeneve

Hielscher Ultrasonics projekton, prodhon dhe shpërndan ultrasonikatorë të qëndrueshëm dhe të besueshëm të çdo madhësie. Nga pajisjet kompakte ultrasonike laboratorike te sondat dhe reaktorët ultrasonikë industrialë, Hielscher ka sistemin ideal ultrasonik për procesin tuaj. Me përvojë shumëvjeçare në zbatime si sinteza dhe dispergimi i nanomaterialeve, stafi ynë i trajnuar mirë do t’ju rekomandojë konfigurimin më të përshtatshëm për kërkesat tuaja. Procesorët ultrasonikë industrialë Hielscher njihen si pajisje pune të besueshme në impiantet industriale. Të aftë për të siguruar amplituda shumë të larta, ultrasonikatorët Hielscher janë idealë për zbatime me performancë të lartë, si sinteza e xeneve dhe e nanomaterialeve të tjera 2D me një shtresë, si borofeni, fosforeni ose grafeni, si dhe për dispergimin e besueshëm të këtyre nanostrukturave.
Ultratinguj jashtëzakonisht të fuqishëm: Procesorët ultrasonikë industrialë të Hielscher Ultrasonics mund të sigurojnë amplituda shumë të larta. Amplituda deri në 200µm mund të mbahen lehtësisht dhe vazhdimisht gjatë funksionimit 24/7. Për amplituda edhe më të larta, ofrohen sonotroda ultrasonike të personalizuara.
Cilësia më e lartë – Projektuar dhe prodhuar në Gjermani: Të gjitha pajisjet projektohen dhe prodhohen në selinë tonë qendrore në Gjermani. Para dorëzimit te klienti, çdo pajisje ultrasonike testohet me kujdes nën ngarkesë të plotë. Ne synojmë kënaqësinë e klientit dhe prodhimi ynë është organizuar për të përmbushur kërkesat më të larta të sigurimit të cilësisë (p.sh., certifikimin ISO).

Tabela më poshtë ju jep një ide për kapacitetin e përafërt të përpunimit të ultrasonikatorëve tanë: