Ултразвучни пилинг Ксенес-а

Ксени су 2Д моноелементни наноматеријали са изванредним својствима као што су веома велика површина, анизотропна физичка/хемијска својства укључујући супериорну електричну проводљивост или затезну чврстоћу. Ултразвучни пилинг или деламинација је ефикасна и поуздана техника за производњу једнослојних 2Д нано листова од слојевитих прекурсорских материјала. Ултразвучни пилинг је већ успостављен за производњу висококвалитетних ксенских нано листова у индустријском обиму.

кенес – Једнослојне наноструктуре

Ксени су једнослојни (2Д), моноелементни наноматеријали, који имају структуру сличну графену, унутарслојну ковалентну везу и слабе ван дер Валсове силе између слојева. Примери материјала који су део класе ксена су борофен, силицен, германен, станен, фосфорен (црни фосфор), арсен, бизмутен, телурен и антимонен. Због своје једнослојне 2Д структуре, ксени наноматеријали се одликују веома великом површином, као и побољшаном хемијском и физичком реактивношћу. Ове структурне карактеристике дају ксенским наноматеријалима импресивна фотонска, каталитичка, магнетна и електронска својства и чине ове наноструктуре веома интересантним за бројне индустријске примене. Слика лево приказује СЕМ слике ултразвучног пилинга борофена.

Производња Ксенес наноматеријала коришћењем ултразвучног деламинације

Течно пилинг слојевитих наноматеријала: Једнослојни 2Д нано листови се производе од неорганских материјала са слојевитим структурама (нпр. графит) који се састоје од лабаво наслаганих слојева домаћина који показују ширење или бубрење галерије од слоја до слоја након интеркалације одређених јона и/или растварача. Ексфолијација, у којој се слојевита фаза цепа на наноплоче, обично прати оток због брзо ослабљених електростатичких привлачења између слојева који производе колоидне дисперзије појединачних 2Д слојева или листова. (уп. Генг ет ал, 2013.) Уопштено говорећи, познато је да оток олакшава пилинг ултразвуком и резултира негативно наелектрисаним нанолистовима. Хемијски предтретман такође олакшава пилинг помоћу соникације у растварачима. На пример, функционализација омогућава ексфолијацију слојевитих двоструких хидроксида (ЛДХ) у алкохолима. (уп. Ницолоси ет ал., 2013)
За ултразвучно пилинг/деламинацију слојевити материјал се излаже снажним ултразвучним таласима у растварачу. Када се ултразвучни таласи густи енергије споје у течност или кашу, долази до акустичне или ултразвучне кавитације. Ултразвучну кавитацију карактерише колапс вакуумских мехурића. Ултразвучни таласи путују кроз течност и стварају наизменичне циклусе ниског/високог притиска. Ситни вакуумски мехурићи настају током циклуса ниског притиска (разређивања) и расту током различитих циклуса ниског притиска? високог притиска. Када кавитациони мехур достигне тачку у којој не може да апсорбује даљу енергију, мехур насилно имплодира и ствара локално веома енергетски густе услове. Кавитациона врућа тачка је одређена веома високим притисцима и температуром, одговарајућим притисцима и температурним разликама, брзим млазовима течности и силама смицања. Ове сономеханичке и сонохемијске силе гурају растварач између наслаганих слојева и разбијају слојевите честичне и кристалне структуре и на тај начин производе љуштене наноплоче. Доња слика приказује процес пилинга ултразвучном кавитацијом.

Брза секвенца (од а до ф) рамова која илуструје соно-механичко пилинг графитне пахуљице у води помоћу УП200С, ултразвучни апарат од 200В са сонотродом од 3 мм. Стрелице показују место цепања (пилинга) са мехурицима кавитације који продиру у расцеп.© Тиурнина ет ал. 2020. (ЦЦ БИ-НЦ-НД 4.0)

Моделирање је показало да ако је површинска енергија растварача слична оној слојевитог материјала, разлика у енергији између ексфолијираних и реагрегираних стања ће бити веома мала, уклањајући покретачку силу за поновно агрегацију. У поређењу са алтернативним методама мешања и шишања, ултразвучне мешалице су обезбедиле ефикаснији извор енергије за пилинг, што је довело до демонстрације пилинга ТаС-а уз помоћ интеркалације јона.₂, НбС₂и МоС₂, као и слојевити оксиди. (уп. Ницолоси ет ал., 2013)

ТЕМ слике ултразвучно течних ексфолијираних нанолистова: (А) Графенски нанолист ексфолијан уз помоћ соникације у растварачу Н-метил-пиролидону. (Б) х-БН нанолист ексфолиран помоћу соникације у растварачу изопропанолу. (Ц) МоС2 нанолист ексфолиран помоћу соникације у воденом раствору сурфактанта.(Студија и слике: ©Ницолоси ет ал., 2013)

Протоколи ултразвучног течног пилинга

Ултразвучна ексфолијација и деламинација ксена и других једнослојних наноматеријала је опсежно проучавана у истраживању и успешно је пребачена у фазу индустријске производње. У наставку вам представљамо одабране протоколе пилинга помоћу соникације.

Ултразвучни пилинг фосфоренских нанопахуљица

Фосфорен (такође познат као црни фосфор, БП) је 2Д слојевити, моноелементни материјал формиран од атома фосфора.
У истраживању Пасаље и др. (2018), демонстрирано је припремање стабилних суспензија фосфорен − метил метакрилата ексфолијацијом бП у течној фази (ЛПЕ) уз помоћ ултразвука у присуству ММА праћено радикалном полимеризацијом. Метил метакрилат (ММА) је течни мономер.

Протокол за ултразвучни течни пилинг фосфорена

ММА_бПн, НВП_бПн и Сти_бПн суспензије су добијене помоћу ЛПЕ у присуству јединог мономера. У типичној процедури, ∼5 мг бП, пажљиво уситњеног у малтеру, стављено је у епрувету, а затим је додата пондерисана количина ММА, Сти или НВП. Суспензија мономера бП је ултразвучна 90 минута коришћењем Хиелсцхер Ултрасоницс хомогенизатора УП200Ст (200В, 26кХз), опремљеног сонотродом С26д2 (пречник врха: 2 мм). Ултразвучна амплитуда је одржавана константном на 50% са П = 7 В. У свим случајевима, ледено купатило је коришћено за побољшање дисипације топлоте. Коначне суспензије ММА_бПн, НВП_бПн и Сти_бПн су затим инсуфлиране са Н2 током 15 минута. Све суспензије су анализиране помоћу ДЛС-а, показујући рХ вредности заиста блиске вредностима ДМСО_бПн. На пример, суспензија ММА_бПн (са око 1% садржаја бП) је окарактерисана са рХ = 512 ± 58 нм.
Док друге научне студије о фосфорену извештавају о времену обраде ултразвуком од неколико сати коришћењем ултразвучног чистача, растварача високе тачке кључања и ниске ефикасности, истраживачки тим из Пасаље демонстрира високо ефикасан протокол ултразвучног пилинга користећи ултразвучни апарат типа сонде (наиме Хиелсцхер ултрасоникатор модел УП200Ст).

Ултразвучни пилинг једнослојних нано плоча

Да бисте прочитали конкретније детаље и протоколе пилинга за нано листове борофена и рутенијум оксида, пратите следеће везе:
Борофен: За протоколе соникације и резултате ултразвучног пилинга борофеном, кликните овде!
РуО2: За протоколе соникације и резултате ултразвучног пилинга нанолистова рутенијум оксида, кликните овде!

Ултразвучни пилинг неколико слојева силицијум диоксида

Од природног вермикулита (Верм) путем ултразвучног пилинга припремљени су неколико слојева ексфолијираних наноплоча силицијум диоксида. За синтезу ексфолијираних нанолистова силицијум-диоксида примењена је следећа метода ексфолијације у течној фази: 40 мг нанолистова силицијум диоксида дисперговано је у 40 мЛ апсолутног етанола. Након тога, смеша је ултразвучна током 2 х коришћењем Хиелсцхер ултразвучног процесора УП200Ст, опремљеног сонотродом од 7 мм. Амплитуда ултразвучног таласа је одржавана константном на 70%. Примењено је ледено купатило да би се избегло прегревање. Неољуштени СН су уклоњени центрифугирањем на 1000 рпм током 10 мин. На крају, производ је декантиран и осушен на собној температури под вакуумом преко ноћи. (уп. Гуо ет ал., 2022)

Ултразвучне сонде и реактори велике снаге за пилинг Ксенес нано листова

Хиелсцхер Ултрасоницс дизајнира, производи и дистрибуира робусне и поуздане ултрасоникаторе било које величине. Од компактних лабораторијских ултразвучних уређаја до индустријских ултразвучних сонди и реактора, Хиелсцхер има идеалан ултразвучни систем за ваш процес. Са дугогодишњим искуством у апликацијама као што су синтеза и дисперзија наноматеријала, наше добро обучено особље ће вам препоручити најприкладније подешавање за ваше захтеве. Хиелсцхер индустријски ултразвучни процесори су познати као поуздани радни коњи у индустријским објектима. Способни да испоруче веома велике амплитуде, Хиелсцхер ултрасоникатори су идеални за апликације високих перформанси као што су синтеза ксена и других 2Д једнослојних наноматеријала као што су борофен, фосфорен или графен, као и за поуздану дисперзију ових наноструктура.
Изузетно моћан ултразвук: Hielscher Ultrasonics’ индустријски ултразвучни процесори могу да испоруче веома велике амплитуде. Амплитуде до 200 µм могу се лако радити у континуитету у раду 24/7. За још веће амплитуде, доступне су прилагођене ултразвучне сонотроде.
Највиши квалитет – Дизајнирано и произведено у Немачкој: Сва опрема је пројектована и произведена у нашем седишту у Немачкој. Пре испоруке купцу, сваки ултразвучни уређај се пажљиво тестира под пуним оптерећењем. Тежимо задовољству купаца и наша производња је структурисана тако да испуни највиши ниво обезбеђења квалитета (нпр. ИСО сертификат).

Табела у наставку даје вам индикацију приближних капацитета обраде наших ултразвучних апарата: