Ultraljudsexfoliering av xener

Xener är tvådimensionella nanomaterial som består av ett enda grundämne och har extraordinära egenskaper såsom mycket stor yta och anisotropa fysikaliska / kemiska egenskaper, inklusive överlägsen elektrisk ledningsförmåga eller draghållfasthet. Ultraljudsexfoliering eller delaminering är en effektiv och tillförlitlig teknik för att framställa tvådimensionella nanoark med ett enda skikt från skiktade utgångsmaterial. Ultraljudsexfoliering är redan etablerad för produktion av högkvalitativa nanoark av xener i industriell skala.

Xener – nanostrukturer med ett enda skikt

Xener är nanomaterial som består av ett enda grundämne och ett enda skikt (2D), med en grafenliknande struktur, kovalenta bindningar inom skiktet och svaga van der Waals-krafter mellan skikten. Exempel på material som tillhör klassen xener är borofen, silicen, germanen, stanen, fosforen (svart fosfor), arsenen, vismuten samt telluren och antimonen. Tack vare sin tvådimensionella struktur med ett enda skikt kännetecknas nanomaterial av xener av en mycket stor yta samt förbättrad kemisk och fysikalisk reaktivitet. Dessa strukturella egenskaper ger nanomaterial av xener imponerande fotoniska, katalytiska, magnetiska och elektroniska egenskaper och gör dessa nanostrukturer mycket intressanta för många industriella tillämpningar. Bilden till vänster visar SEM-bilder av ultraljudsexfolierad borofen.

Framställning av nanomaterial av xener genom ultraljudsdelaminering

Exfoliering av skiktade nanomaterial i vätska: Tvådimensionella nanoark med ett enda skikt framställs av oorganiska material med skiktade strukturer (t.ex. grafit) som består av löst staplade värdskikt där mellanrummen mellan skikten expanderar eller sväller vid interkalering av vissa joner och/eller lösningsmedel. Exfoliering, där den skiktade fasen klyvs till nanoark, åtföljer vanligtvis svällningen på grund av att de elektrostatiska attraktionskrafterna mellan skikten snabbt försvagas, vilket ger kolloidala dispersioner av de enskilda tvådimensionella skikten eller arken. (jfr Geng et al, 2013) Det är allmänt känt att svällning underlättar exfoliering genom ultraljudsbehandling och resulterar i negativt laddade nanoark. Kemisk förbehandling underlättar också exfoliering med hjälp av ultraljudsbehandling i lösningsmedel. Funktionalisering möjliggör till exempel exfoliering av skiktade dubbelhydroxider (LDH) i alkoholer. (jfr Nicolosi et al., 2013)
Vid ultraljudsexfoliering / delaminering utsätts det skiktade materialet för kraftiga ultraljudsvågor i ett lösningsmedel. När energitäta ultraljudsvågor kopplas in i en vätska eller slurry uppstår akustisk kavitation, även kallad ultraljudskavitation. Ultraljudskavitation kännetecknas av att vakuumbubblor kollapsar. Ultraljudsvågorna färdas genom vätskan och genererar omväxlande lågtrycks- / högtryckscykler. De mycket små vakuumbubblorna uppstår under en lågtryckscykel (förtunning) och växer under flera lågtrycks- / högtryckscykler. När en kavitationsbubbla når den punkt där den inte kan absorbera mer energi imploderar bubblan våldsamt och skapar lokalt mycket energitäta förhållanden. En het punkt som uppstår genom kavitation kännetecknas av mycket höga tryck och temperaturer, motsvarande tryck- och temperaturskillnader, snabba vätskestrålar och skjuvkrafter. Dessa sonomekaniska och sonokemiska krafter pressar in lösningsmedlet mellan de staplade skikten och bryter upp skiktade partikulära och kristallina strukturer, vilket ger exfolierade nanoark. Bildsekvensen nedan visar exfolieringsprocessen genom ultraljudskavitation.

En höghastighetssekvens av bilder (från a till f) som illustrerar sonomekanisk exfoliering av ett grafitflag i vatten med UP200S, en ultraljudsapparat på 200W med en sonotrod på 3 mm. Pilarna visar platsen för klyvningen (exfolieringen), där kavitationsbubblor tränger in i sprickan.
© Tyurnina et al. 2020 (CC BY-NC-ND 4.0)

Modellering har visat att om lösningsmedlets ytenergi liknar det skiktade materialets ytenergi blir energiskillnaden mellan det exfolierade och det återaggregerade tillståndet mycket liten, vilket eliminerar drivkraften för återaggregering. Jämfört med alternativa omrörnings- och skjuvningsmetoder gav ultraljudsomrörare en effektivare energikälla för exfoliering, vilket ledde till att joninterkalationsassisterad exfoliering kunde demonstreras för TaS₂, NbS₂ och MoS₂, liksom för skiktade oxider. (jfr Nicolosi et al., 2013)

TEM-bilder av nanoark exfolierade i vätska med ultraljud: (A) Ett grafennanoark exfolierat med hjälp av ultraljudsbehandling i lösningsmedlet N-metylpyrrolidon. (B) Ett h-BN-nanoark exfolierat med hjälp av ultraljudsbehandling i lösningsmedlet isopropanol. (C) Ett MoS2-nanoark exfolierat med hjälp av ultraljudsbehandling i en vattenbaserad tensidlösning.
(Studie och bilder: ©Nicolosi et al., 2013)

Protokoll för ultraljudsexfoliering i vätska

Ultraljudsexfoliering och delaminering av xener och andra nanomaterial i monolager har studerats ingående inom forskningen och har framgångsrikt överförts till industriell produktion. Nedan presenterar vi utvalda exfolieringsprotokoll med ultraljudsbehandling.

Ultraljudsexfoliering av fosforennanoflak

Fosforen (även känt som svart fosfor, BP) är ett skiktat, mono-elementärt 2D-material som består av fosforatomer.
I forskningen av Passaglia et al. (2018) demonstreras framställning av stabila suspensioner av fosforen − metylmetakrylat genom ultraljudsassisterad vätskefasexfoliering (LPE) av bP i närvaro av MMA, följt av radikalpolymerisation. Metylmetakrylat (MMA) är en flytande monomer.

Protokoll för ultraljudsexfoliering av fosforen i vätska

Suspensioner av MMA_bPn, NVP_bPn och Sty_bPn erhölls genom LPE med enbart monomeren närvarande. Vid ett typiskt förfarande placerades ∼5 mg bP, noggrant krossat i en mortel, i ett provrör, varefter en uppvägd mängd MMA, Sty eller NVP tillsattes. Suspensionen av bP i monomeren ultraljudsbehandlades i 90 min med en homogenisator UP200St från Hielscher Ultrasonics (200W, 26kHz), utrustad med sonotroden S26d2 (spetsdiameter: 2 mm). Ultraljudsamplituden hölls konstant vid 50% med P = 7 W. I samtliga fall användes ett isbad för förbättrad värmeavledning. De slutliga suspensionerna av MMA_bPn, NVP_bPn och Sty_bPn genomblåstes sedan med N2 i 15 min. Alla suspensioner analyserades med DLS och uppvisade rH-värden mycket nära värdet för DMSO_bPn. Exempelvis kännetecknades MMA_bPn-suspensionen (med en bP-halt på cirka 1%) av rH = 512 ± 58 nm.
Medan andra vetenskapliga studier om fosforen rapporterar ultraljudsbehandlingstider på flera timmar med ultraljudstvätt, lösningsmedel med hög kokpunkt och låg effektivitet, demonstrerar Passaglias forskargrupp ett mycket effektivt protokoll för ultraljudsexfoliering med en ultraljudsapparat av sondtyp (nämligen Hielschers ultraljudsapparat av modell UP200St).

Ultraljudsexfoliering av nanoark i monolager

Följ länkarna nedan för mer specifika detaljer och exfolieringsprotokoll för nanoark av borofen och ruteniumoxid:
Borofen: Klicka här för protokoll för ultraljudsbehandling och resultat av ultraljudsexfoliering av borofen!
RuO2: Klicka här för protokoll för ultraljudsbehandling och resultat av ultraljudsexfoliering av ruteniumoxidnanoark!

Ultraljudsexfoliering av kiseldioxidnanoark med få skikt

Exfolierade nanoark av kiseldioxid med få lager framställdes från naturlig vermikulit (Verm) genom ultraljudsexfoliering. För syntesen av exfolierade nanoark av kiseldioxid användes följande metod för exfoliering i vätskefas: 40 mg nanoark av kiseldioxid dispergerades i 40 mL absolut etanol. Därefter ultraljudsbehandlades blandningen i 2 h med en Hielscher ultraljudsprocessor UP200St, utrustad med en 7 mm sonotrod. Ultraljudsvågens amplitud hölls konstant vid 70%. Oönskad överhettning förhindrades med ett isbad. Oexfolierade SN avlägsnades genom centrifugering vid 1000 rpm i 10 min. Slutligen dekanterades produkten och torkades vid rumstemperatur under vakuum över natten. (jfr Guo et al., 2022)

Ultraljudssonder och reaktorer med hög effekt för exfoliering av nanoark av xener

Hielscher Ultrasonics utvecklar, tillverkar och distribuerar robusta och tillförlitliga ultraljudsapparater i alla storlekar. Från kompakta ultraljudsapparater för laboratorier till industriella ultraljudssonder och reaktorer har Hielscher det idealiska ultraljudssystemet för din process. Med lång erfarenhet av tillämpningar som syntes och dispergering av nanomaterial rekommenderar vår välutbildade personal den lämpligaste utrustningen för dina behov. Hielschers industriella ultraljudsprocessorer är kända som tillförlitliga arbetshästar i industrianläggningar. Tack vare sin förmåga att leverera mycket höga amplituder är Hielschers ultraljudsapparater idealiska för högpresterande tillämpningar som syntes av xener och andra 2D-nanomaterial med ett enda lager, såsom borofen, fosforen eller grafen, samt tillförlitlig dispergering av dessa nanostrukturer.
Extraordinärt kraftfullt ultraljud: Hielscher Ultrasonics industriella ultraljudsprocessorer kan leverera mycket höga amplituder. Amplituder på upp till 200µm kan enkelt upprätthållas kontinuerligt vid 24/7-drift. För ännu högre amplituder finns kundanpassade ultraljudssonotroder.
Högsta kvalitet – utvecklad och tillverkad i Tyskland: All utrustning utvecklas och tillverkas vid vårt huvudkontor i Tyskland. Före leverans till kunden testas varje ultraljudsapparat noggrant under full belastning. Vi strävar efter kundnöjdhet och vår produktion är organiserad för att uppfylla högsta nivå av kvalitetssäkring (t.ex. ISO-certifiering).

Tabellen nedan ger en indikation på våra ultraljudsapparaters ungefärliga bearbetningskapacitet: