Како појединачно дисперговати једнозидне угљеничне наноцеви

Једнозидне угљеничне наноцеви (SWNTs или SWCNTs) имају јединствена својства, али да би их испољиле, морају бити појединачно дисперговане. Да би се у потпуности искористила изузетна својства једнозидних угљеничних наноцеви, наноцеви се морају расплести што потпуније. SWNTs, као и друге наночестице, испољавају веома јаке привлачне силе, па је за поуздану деагломерацију и дисперговање потребна снажна и ефикасна техника. Док уобичајене технике мешања не обезбеђују интензитет потребан за расплитање SWNTs без њиховог оштећивања, доказано је да ултразвук велике снаге расплиће и диспергује SWCNTs. Кавитационе силе смицања настале дејством ултразвука довољно су снажне да савладају силе везивања, док се интензитет ултразвука може прецизно подесити како би се избегло оштећење SWCNTs.

Проблем:

Једнозидне угљеничне наноцеви (SWCNTs) разликују се од вишезидних угљеничних наноцеви (MWNTs/ MWCNTs) по својим електричним својствима. Ширина забрањене зоне SWCNTs може варирати од нуле до 2 eV, а њихова електрична проводљивост показује метално или полупроводничко понашање. Пошто једнозидне угљеничне наноцеви имају изражену кохезију, једна од главних препрека у обради SWCNTs јесте њихова својствена нерастворљивост у органским растварачима или води. Да би се искористио пун потенцијал SWCNTs, потребан је једноставан, поуздан поступак деагломерације наноцеви који се може пренети на веће размере. Нарочито функционализација бочних зидова или отворених крајева CNTs ради стварања одговарајуће међуповршине између SWCNTs и органског растварача доводи само до делимичне ексфолијације SWCNTs. Зато су SWCNTs углавном дисперговане у облику снопова, а не као појединачна деагломерисана ужад. Ако су услови током дисперговања сувише оштри, SWCNTs ће се скратити на дужине од 80 до 200nm. За већину практичних примена, односно за SWCNTs које служе као полупроводници или ојачање, ова дужина је премала.

Решење:

Ултразвучна обрада је веома ефикасна метода дисперговања и деагломерације угљеничних наноцеви, јер ултразвучни таласи високог интензитета стварају кавитацију у течностима. Звучни таласи који се простиру кроз течне медијуме доводе до наизменичних циклуса високог притиска (компресије) и ниског притиска (разређења), чија учесталост зависи од фреквенције. Током циклуса ниског притиска, ултразвучни таласи високог интензитета стварају мале вакуумске мехуриће или шупљине у течности. Када мехурићи достигну запремину при којој више не могу да апсорбују енергију, они нагло колабирају током циклуса високог притиска. Ова појава се назива кавитација. Током имплозије локално се достижу веома високе температуре (прибл. 5.000K) и притисци (прибл. 2.000atm). Имплозија кавитационог мехурића такође ствара млазеве течности брзине до 280m/s. Ови млазеви течности, настали услед ултразвучне кавитације, савладавају силе везивања између угљеничних наноцеви, чиме се наноцеви деагломеришу. Блага, контролисана ултразвучна обрада одговарајућа је метода за добијање суспензија диспергованих SWCNTs велике дужине, стабилизованих површински активним материјама. За контролисану производњу SWCNTs, Hielscher ултразвучни процесори омогућавају рад са широким распоном скупова ултразвучних параметара. Амплитуда ултразвука, притисак течности и састав течности могу се мењати у складу са конкретним материјалом и поступком. То пружа различите могућности подешавања, као што су

• амплитуде сонотроде до 170 микрона
• притисци течности до 10 бара
• протоци течности до 15L/min (у зависности од поступка)
• температуре течности до 80 degC (друге температуре на захтев)
• вискозност материјала до 100.000cp

 

Осим тога, ултразвучна обрада као метода пречишћавања уз помоћ полимера омогућава ефикасно уклањање нечистоћа из SWCNTs у стању непосредно након раста. Хемијску модификацију SWCNTs тешко је проучавати на молекулском нивоу јер је тешко добити чисте SWNTs. SWCNTs непосредно након раста садрже бројне нечистоће, као што су металне честице и аморфни угљеник. Ултразвучна обрада SWCNTs у раствору поли(метил метакрилата), PMMA, у монохлоробензену (MCB), праћена филтрацијом, ефикасан је начин пречишћавања SWCNTs. Ова метода пречишћавања уз помоћ полимера омогућава ефикасно уклањање нечистоћа из SWCNTs непосредно након раста. Прецизна контрола амплитуде ултразвучне обраде омогућава да се оштећивање SWCNTs избегне или ограничи.

Ултразвучна опрема

Hielscher нуди високоефикасне ултразвучне процесоре за ултразвучну обраду било које запремине. Ултразвучни уређаји снаге од 50 вати до 16.000 вати, који се могу повезати у групе, омогућавају избор одговарајућег ултразвучног уређаја за сваку примену, како у лабораторији тако и у индустрији. За захтевно дисперговање наноцеви препоручује се континуирана ултразвучна обрада. Употребом Hielscher проточних ћелија могуће је дисперговати CNTs у течностима повишене вискозности, као што су полимери, високовискозни растопи и термопластични материјали.

Кликните овде да бисте прочитали више о дисперговању и модификацији наноцеви ултразвуком велике снаге!