Ултразвучна ексфолијација ксена

Ксени су 2D моноелементни наноматеријали са изузетним својствима као што су веома велика површина и анизотропна физичка / хемијска својства, укључујући врхунску електричну проводљивост или затезну чврстоћу. Ултразвучна ексфолијација или деламинација је ефикасна и поуздана техника за производњу једнослојних 2D нанолистова од слојевитих прекурсорских материјала. Ултразвучна ексфолијација је већ устаљена у производњи висококвалитетних нанолистова ксена у индустријским размерама.

Ксени – једнослојне наноструктуре

Ксени су једнослојни (2D), моноелементни наноматеријали које одликују структура слична графену, ковалентне везе унутар слоја и слабе ван дер Валсове силе између слојева. Примери материјала који припадају класи ксена су борофен, силицен, германен, станен, фосфорен (црни фосфор), арсенен, бизмутен, телурен и антимонен. Због своје једнослојне 2D структуре, наноматеријале класе ксена одликују веома велика површина, као и побољшана хемијска и физичка реактивност. Ове структурне карактеристике дају наноматеријалима класе ксена импресивна фотонска, каталитичка, магнетна и електронска својства и чине ове наноструктуре веома занимљивим за бројне индустријске примене. Слика лево приказује SEM снимке ултразвучно ексфолираног борофена.

Производња наноматеријала класе ксена ултразвучном деламинацијом

Ексфолијација слојевитих наноматеријала у течној фази: Једнослојни 2D нанолистови производе се од неорганских материјала са слојевитим структурама (нпр. графита), који се састоје од лабаво наслаганих слојева домаћина код којих при интеркалацији одређених јона и/или растварача долази до ширења међуслојног простора или бубрења. Ексфолијација, при којој се слојевита фаза раздваја на нанолистове, обично прати бубрење услед брзог слабљења електростатичког привлачења између слојева, што доводи до стварања колоидних дисперзија појединачних 2D слојева или листова. (уп. Geng et al, 2013) Уопштено је познато да бубрење олакшава ексфолијацију ултразвучном обрадом и доводи до настанка негативно наелектрисаних нанолистова. Хемијски предтретман такође олакшава ексфолијацију соникацијом у растварачима. На пример, функционализација омогућава ексфолијацију слојевитих двоструких хидроксида (LDHs) у алкохолима. (уп. Nicolosi et al., 2013)
За ултразвучну ексфолијацију / деламинацију слојевити материјал се излаже снажним ултразвучним таласима у растварачу. Када се ултразвучни таласи велике густине енергије пренесу у течност или суспензију, долази до акустичне, односно ултразвучне кавитације. Ултразвучну кавитацију карактерише колапс вакуумских мехурића. Ултразвучни таласи се простиру кроз течност и стварају наизменичне циклусе ниског / високог притиска. Сићушни вакуумски мехурићи настају током циклуса ниског притиска (разређивања) и расту током више циклуса ниског / високог притиска. Када кавитациони мехурић достигне тачку у којој више не може да апсорбује енергију, он снажно имплодира и локално ствара услове веома велике густине енергије. Кавитациону врућу тачку карактеришу веома високи притисци и температура, одговарајуће разлике притисака и температуре, млазеви течности велике брзине и силе смицања. Ове сономеханичке и сонохемијске силе потискују растварач између наслаганих слојева и разбијају слојевите честичне и кристалне структуре, стварајући тако ексфолиране нанолистове. Низ слика испод приказује процес ексфолијације ултразвучном кавитацијом.

Низ кадрова снимљених великом брзином (од a до f) који илуструје сономеханичку ексфолијацију љуспице графита у води помоћу ултразвучног уређаја UP200S снаге 200W са сонотродом од 3 mm. Стрелице показују место раздвајања (ексфолијације) са кавитационим мехурићима који продиру у настали процеп.
© Tyurnina и сар. 2020 (CC BY-NC-ND 4.0)

Моделовање је показало да ће, ако је површинска енергија растварача слична површинској енергији слојевитог материјала, разлика у енергији између ексфолираног и поново агрегираног стања бити веома мала, чиме се уклања покретачка сила за поновну агрегацију. У поређењу са алтернативним методама мешања и смицања, ултразвучне мешалице су обезбедиле ефикаснији извор енергије за ексфолијацију, што је довело до демонстрације ексфолијације потпомогнуте интеркалацијом јона код TaS₂, NbS₂ и MoS₂, као и слојевитих оксида. (уп. Nicolosi et al., 2013)

TEM снимци нанолистова ексфолираних ултразвуком у течној фази: (A) Нанолист графена ексфолиран соникацијом у растварачу N-метилпиролидону. (B) Нанолист h-BN ексфолиран соникацијом у растварачу изопропанолу. (C) Нанолист MoS2 ексфолиран соникацијом у воденом раствору површински активне материје.
(Истраживање и слике: ©Nicolosi et al., 2013)

Протоколи за ултразвучну ексфолијацију у течној фази

Ултразвучна ексфолијација и деламинација ксена и других једнослојних наноматеријала опсежно су проучаване у истраживањима и успешно су пренете на ниво индустријске производње. У наставку вам представљамо одабране протоколе ексфолијације применом соникације.

Ултразвучна ексфолијација нанопахуљица фосфорена

Фосфорен (познат и као црни фосфор, BP) је 2D слојевити, моноелементни материјал изграђен од атома фосфора.
У истраживању Passaglia et al. (2018) приказана је припрема стабилних суспензија фосфорена – метилметакрилата ексфолијацијом bP у течној фази (LPE) потпомогнутом соникацијом у присуству MMA, након чега следи радикалска полимеризација. Метилметакрилат (MMA) је течни мономер.

Протокол за ултразвучну ексфолијацију фосфорена у течној фази

Суспензије MMA_bPn, NVP_bPn и Sty_bPn добијене су поступком LPE у присуству само мономера. У типичном поступку, ∼5 mg bP, пажљиво уситњеног у авану, стављено је у епрувету, а затим је додата одмерена количина MMA, Sty или NVP. Суспензија bP у мономеру подвргнута је соникацији током 90 min помоћу хомогенизатора Hielscher Ultrasonics UP200St (200W, 26kHz), опремљеног сонотродом S26d2 (пречник врха: 2 mm). Ултразвучна амплитуда одржавана је константном на 50% при P = 7 W. У свим случајевима коришћено је ледено купатило ради бољег одвођења топлоте. Кроз коначне суспензије MMA_bPn, NVP_bPn и Sty_bPn затим је пропуштан N2 током 15 min. Све суспензије анализиране су методом DLS, при чему су добијене вредности rH веома блиске вредности за DMSO_bPn. На пример, суспензију MMA_bPn (са садржајем bP од око 1%) карактерисала је вредност rH = 512 ± 58 nm.
Док друга научна истраживања фосфорена наводе вишечасовну соникацију уз коришћење ултразвучног чистача, раствараче са високом тачком кључања и ниску ефикасност, истраживачки тим Passaglia приказује високо ефикасан протокол ултразвучне ексфолијације коришћењем ултразвучног уређаја са сондом (конкретно модела UP200St ултразвучног уређаја Hielscher).

Ултразвучна ексфолијација једнослојних нанолистова

За више конкретних детаља и протоколе ексфолијације нанолистова борофена и рутенијум-оксида, пратите везе у наставку:
Борофен: За протоколе соникације и резултате ултразвучне ексфолијације борофена, кликните овде!
RuO2: За протоколе соникације и резултате ултразвучне ексфолијације нанолистова рутенијум-оксида, кликните овде!

Ултразвучна ексфолијација нанолистова силицијум-диоксида са малим бројем слојева

Ексфолирани нанослојеви силицијум-диоксида са малим бројем слојева припремљени су од природног вермикулита (Verm) ултразвучном ексфолијацијом. За синтезу ексфолираних нанослојева силицијум-диоксида примењена је следећа метода ексфолијације у течној фази: 40 mg нанослојева силицијум-диоксида дисперговано је у 40 mL апсолутног етанола. Затим је смеша обрађивана ултразвуком током 2 h помоћу ултразвучног процесора Hielscher UP200St, опремљеног сонотродом пречника 7 mm. Амплитуда ултразвучног таласа одржавана је константном на 70%. Коришћено је ледено купатило како би се избегло прегревање. Неексфолирани SN уклоњени су центрифугирањем при 1000 rpm током 10 min. На крају је производ декантован и сушен преко ноћи на собној температури под вакуумом. (уп. Guo et al., 2022)

Ултразвучне сонде велике снаге и реактори за ексфолијацију нанослојева ксена

Hielscher Ultrasonics пројектује, производи и дистрибуира робусне и поуздане ултразвучне уређаје свих величина. Од компактних лабораторијских ултразвучних уређаја до индустријских ултразвучних сонди и реактора, Hielscher има идеалан ултразвучни систем за ваш процес. Захваљујући дугогодишњем искуству у применама као што су синтеза и дисперговање наноматеријала, наше добро обучено особље препоручиће вам конфигурацију која најбоље одговара вашим захтевима. Индустријски ултразвучни процесори Hielscher познати су као поуздане радне машине у индустријским постројењима. Способни да остваре веома високе амплитуде, ултразвучни уређаји Hielscher идеални су за примене које захтевају високе перформансе, као што је синтеза ксена и других 2D једнослојних наноматеријала, попут борофена, фосфорена или графена, као и за поуздано дисперговање ових наноструктура.
Изузетно снажан ултразвук: Индустријски ултразвучни процесори компаније Hielscher Ultrasonics могу да остваре веома високе амплитуде. Амплитуде до 200µm могу се лако одржавати непрекидно у режиму рада 24/7. За још више амплитуде доступне су ултразвучне сонотроде израђене по мери.
Највиши квалитет – пројектовано и произведено у Немачкој: Сва опрема се пројектује и производи у нашем седишту у Немачкој. Пре испоруке купцу, сваки ултразвучни уређај пажљиво се испитује под пуним оптерећењем. Тежимо задовољству купаца, а наша производња је организована тако да испуни највише захтеве за обезбеђење квалитета (нпр. ISO сертификација).

Табела у наставку даје преглед приближног капацитета обраде наших ултразвучних уређаја: