กราฟีนชั้นเดียวในระดับอุตสาหกรรมโดยใช้การลอกด้วยคลื่นเสียงความถี่สูง

กราฟีนได้กลายเป็นหนึ่งในวัสดุที่น่าตื่นเต้นที่สุดของวิทยาศาสตร์สมัยใหม่ – และมีเหตุผลที่ดี ไม่ใช่แค่ “วัสดุคาร์บอนอีกชนิดหนึ่ง” กราฟีนเป็นชั้นเดียวของอะตอมคาร์บอนที่จัดเรียงตัวเป็นโครงสร้างรังผึ้งที่สมบูรณ์แบบ และโครงสร้างที่ดูเหมือนเรียบง่ายนี้กลับสร้างคุณสมบัติที่น่าทึ่งซึ่งวัสดุอื่นๆ เพียงไม่กี่ชนิดสามารถเทียบเคียงได้
ความท้าทายคือ: เราจะผลิตกราฟีนชั้นเดียวคุณภาพสูงได้อย่างมีประสิทธิภาพ สม่ำเสมอ และในปริมาณอุตสาหกรรมได้อย่างไร?
นี่คือจุดที่การผลัดเซลล์ผิวด้วยคลื่นเสียงความถี่สูงประสิทธิภาพสูง – โดยเฉพาะอย่างยิ่งกับเครื่องโซนิเคเตอร์แบบโพรบของ Hielscher – นำเสนอคำตอบที่ใช้งานได้จริงและสามารถขยายได้

ปัญหา: การผลิตกราฟีนชั้นเดียวในปริมาณมาก

กราฟีนมีอยู่ตามธรรมชาติภายในกราไฟต์ ซึ่งประกอบด้วยชั้นของกราฟีนนับล้านชั้นที่ซ้อนกันอย่างแน่นหนา ชั้นเหล่านี้ถูกยึดไว้ด้วยแรงระหว่างชั้นที่แข็งแกร่ง (แรงแวนเดอร์วาลส์) ทำให้ยากต่อการแยกออกจากกันอย่างสะอาด

เป้าหมายชัดเจน:

• ผลผลิตสูงของกราฟีนชั้นเดียว
• ความเสียหายน้อยที่สุดต่อโครงสร้างกริดของกราฟีน
• ขนาดและลักษณะของแผ่นเนื้อเดียวกัน
• ปรับขนาดได้สำหรับปริมาณอุตสาหกรรม
• คุ้มค่าและยั่งยืนต่อสิ่งแวดล้อม

วิธีการแบบดั้งเดิมประสบปัญหาในการตอบสนองความต้องการทั้งหมดนี้พร้อมกัน

ทำไมวิธีการขัดผิวแบบดั้งเดิมจึงไม่เพียงพอ

วิธีการขัดผิวแบบดั้งเดิมประกอบด้วยวิธีการขัดผิวทางกล, ทางเคมี, และทางของเหลว. วิธีการทั้งหมดนี้มีข้อจำกัดที่ทำให้การผลิตกราฟีนไม่มีประสิทธิภาพ และ/หรือเป็นอันตราย.

การผลัดเซลล์ผิวด้วยวิธีทางกล

เทคนิคทางกลที่โดดเด่นที่สุดคือเทคนิคที่มีชื่อเสียง “เทปกาวใส” วิธีนี้สามารถผลิตกราฟีนบริสุทธิ์ได้ แต่:

• ผลผลิตต่ำมาก
• แผ่นมีลักษณะไม่สม่ำเสมอ
• ไม่สามารถนำไปใช้ในกระบวนการผลิตได้จริง

การผลัดเซลล์ผิวด้วยสารเคมี

วิธีนี้ใช้กรดเข้มข้นและสารออกซิไดซ์เพื่อทำลายพันธะของชั้น แต่:

• แนะนำสิ่งเจือปนและข้อบกพร่อง
• สร้างของเสียทางเคมี
• เพิ่มต้นทุนเนื่องจากตัวทำละลาย สารเคมี และการกำจัด
• เปลี่ยนแปลงเคมีของกราฟีน (มักเป็นการเปลี่ยนแปลงถาวร)

การผลัดเซลล์ผิวด้วยของเหลวแบบดั้งเดิม

แนวทางนี้มีศักยภาพในการขยายตัวมากกว่า แต่บ่อยครั้งจำเป็นต้องมี:

• ตัวทำละลายพิเศษ เช่น เอ็น-เมทิล-2-ไพโรลิโดน (NMP) หรือ ไดเมทิลฟอร์มาไมด์ (DMF)
• ระยะเวลาการประมวลผลที่ยาวนาน
• ผลผลิตและประสิทธิภาพกระบวนการที่จำกัดโดยไม่มีการใช้พลังงานสูง

การผลิตกราฟีนด้วยคลื่นเสียงความถี่สูง: เส้นทางอุตสาหกรรมสู่อนาคต

การสังเคราะห์กราฟีนด้วยคลื่นเสียงความถี่สูงมีประสิทธิภาพสูงมากเมื่อใช้การสั่นด้วยโพรบกำลังสูง ซึ่งส่งพลังงานเข้าสู่สารแขวนลอยโดยตรง – มีประสิทธิภาพมากกว่าการทำความสะอาดด้วยเสียงในอ่างอาบน้ำ

ในทางปฏิบัติ อัลตราซาวด์ช่วยสนับสนุนการผลิตกราฟีนผ่านสองเส้นทางหลัก:

วิธี 1: การใช้คลื่นเสียงความถี่สูงช่วยในการสั่นสะเทือน’ วิธีการ (กราฟีนออกไซด์)

รถฮัมเมอร์’ วิธีนี้เป็นกระบวนการทางเคมีที่ใช้กราไฟต์เป็นวัตถุดิบหลัก โดยทำการออกซิไดซ์กราไฟต์ด้วยสารละลายผสมของกรดเข้มข้นและสารออกซิไดซ์ ซึ่งโดยทั่วไปจะใช้กรดซัลฟิวริก กรดไนตริก และโพแทสเซียมเปอร์แมงกาเนต ในระหว่างปฏิกิริยานี้ กลุ่มฟังก์ชันที่มีออกซิเจน เช่น กลุ่มไฮดรอกซิล กลุ่มอีพอกไซด์ และกลุ่มคาร์บอกซิล จะถูกเติมเข้าไปในโครงตาข่ายของคาร์บอน ส่งผลให้ได้กราฟีนออกไซด์ (GO) ซึ่งเป็นอนุพันธ์ของกราฟีนที่ถูกดัดแปลงทางเคมี

เมื่อใช้คลื่นเสียงความถี่สูงในระหว่างกระบวนการนี้ จะช่วยเพิ่มประสิทธิภาพของปฏิกิริยาได้อย่างมีนัยสำคัญ การกวนด้วยคลื่นเสียงความถี่สูงจะช่วยเพิ่มการถ่ายโอนมวลระหว่างสารตั้งต้นกับอนุภาคกราไฟต์ ทำให้เกิดการออกซิเดชันที่สม่ำเสมอมากขึ้น ในขณะเดียวกัน แรงเฉือนที่เกิดจากการเกิดโพรงอากาศจะช่วยแยกชั้นกราไฟต์ที่ถูกออกซิไดซ์ให้เป็นแผ่นเดี่ยว เร่งกระบวนการลอกชั้นและปรับปรุงคุณภาพการกระจายตัว

อัลตราซาวด์ทำหน้าที่อะไรที่นี่:

• ปรับปรุงการถ่ายโอนมวล
• เร่งการกระจายตัว
• ช่วยแยกชั้นออกซิไดซ์ให้เป็นแผ่นเดี่ยว

ผลิตภัณฑ์ที่ได้จากวิธีนี้คือกราฟีนออกไซด์ในรูปแบบของแผ่นชั้นเดียวหรือหลายชั้นบาง ๆ ที่สามารถกระจายตัวในน้ำได้ง่ายเนื่องจากเคมีผิวที่เป็นไฮโดรฟิลิก ด้วยกลุ่มฟังก์ชันที่ถูกเติมเข้ามา กราฟีนออกไซด์จึงมีปฏิกิริยาสูงและเหมาะสมอย่างยิ่งสำหรับการทำฟังกชันเคมีเพิ่มเติม การบูรณาการเข้ากับวัสดุผสม หรือการลดระดับเพื่อสร้างโครงสร้างกราฟีนที่ปรับเปลี่ยนแล้ว

สิ่งที่วิธีการของฮัมเมอร์ที่ช่วยด้วยคลื่นเสียงอัลตราโซนิกผลิตขึ้น:

• แผ่นกราฟีนออกไซด์
• สารแขวนลอยที่มีคุณสมบัติชอบน้ำในน้ำ
• รูปแบบกราฟีนที่ผ่านการดัดแปลงทางเคมีซึ่งเหมาะสำหรับการเติมฟังก์ชัน

แนวทางนี้เหมาะสมเป็นพิเศษเมื่อวัตถุประสงค์ไม่ใช่กราฟีนบริสุทธิ์ แต่เป็นวัสดุที่มีคุณสมบัติเชิงผิวและสามารถปรับแต่งทางเคมีได้ ซึ่งออกแบบมาเพื่อการปรับปรุงเพิ่มเติมหรือการใช้งานเฉพาะที่ผิวสัมผัส

การแสดงผลแบบกราฟิกของการสังเคราะห์กราฟีนที่เตรียมจากวิธีฮัมเมอร์และเทคนิคการกระจายตัวโดยใช้โซเดียมโดเดซิลเบนซีนซัลโฟเนต (SDS): (A) โครงสร้างของกราไฟต์; (B) แผ่นนาโนกราฟีนที่กระจายตัว การใช้เครื่องโซนิคเตอร์ UP100H; (C) กราฟีนออกไซด์ที่ลดลง; และ (D) กราฟีนออกไซด์
(การศึกษาและกราฟิก: Ghanem และ Rehim, 2018)

วิธี 2: การขัดผิวด้วยของเหลวด้วยคลื่นเสียงความถี่สูง (กราฟีนบริสุทธิ์)

ในการลอกชั้นของของเหลวด้วยคลื่นเสียงความถี่สูง กราไฟต์แบบก้อนจะถูกกระจายตัวในตัวทำละลายที่เหมาะสม ซึ่งมักจะเป็น N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) หรือ dimethylformamide (DMF) และถูกทำให้สัมผัสกับคลื่นเสียงความถี่สูงกำลังสูง แตกต่างจากวิธีการออกซิเดชัน กระบวนการนี้เป็นการเปลี่ยนแปลงทางกายภาพเป็นหลักมากกว่าทางเคมี

พลังงานอัลตราโซนิกที่นำมาใช้จะก่อให้เกิดแรงคาวิเตชันอย่างรุนแรงภายในของเหลว แรงเหล่านี้จะเอาชนะแรงแวนเดอร์วาลส์ที่ยึดเกาะชั้นกราฟีนไว้ด้วยกัน ทำให้เกิดการแยกชั้นของกราไฟต์ออกเป็นแผ่นกราฟีนแต่ละแผ่นได้อย่างเป็นกายภาพ เมื่อกระบวนการลอกชั้นดำเนินไป จะเกิดการกระจายตัวที่เสถียรของแผ่นนาโนกราฟีนภายในตัวทำละลาย
อัลตราซาวด์ทำหน้าที่อะไรที่นี่:

• แยกชั้นทางกายภาพของกราไฟต์
• แยกชั้นกราฟีนแต่ละชั้นออกจากกัน
• สร้างสารแขวนลอยกราฟีนที่เสถียร

วิธีนี้เป็นที่นิยมเมื่อเป้าหมายหลักคือการรักษาความสมบูรณ์ของโครงสร้างตาข่ายคาร์บอน sp² ดั้งเดิม เนื่องจากไม่มีสารออกซิไดซ์ที่รุนแรงเข้ามาเกี่ยวข้อง โครงสร้างผลึกและคุณสมบัติทางไฟฟ้าและกลไกภายในของกราฟีนสามารถรักษาไว้ได้ในระดับที่สูงกว่ามาก นอกจากนี้ การลอกชั้นของกราฟีนในสถานะของเหลวด้วยคลื่นเสียงความถี่สูงยังเหมาะสำหรับการผลิตในปริมาณมาก ทำให้สามารถเปลี่ยนจากการวิจัยในห้องปฏิบัติการไปสู่การผลิตในอุตสาหกรรมได้อย่างน่าเชื่อถือและรักษาความสม่ำเสมอของผลิตภัณฑ์
แนวทางนี้เป็นตัวเลือกที่แนะนำเมื่อเป้าหมายของคุณคือ:

• การรักษาโครงตาข่าย sp² ดั้งเดิม
• การผลิตแผ่นนาโนกราฟีนคุณภาพสูง
• การเพิ่มการผลิตอย่างเชื่อถือได้

โดยสรุป ในขณะที่รถฮัมเมอร์’ วิธีการนี้ให้ความสำคัญกับการปรับเปลี่ยนทางเคมี การลอกชั้นของเหลวด้วยคลื่นเสียงความถี่สูงเน้นการคงโครงสร้างและการผลิตแผ่นนาโนกราฟีนคุณภาพสูง

ลําดับความเร็วสูง (จาก a ถึง f) ของเฟรมที่แสดงให้เห็นถึงการขัดผิวแบบกลไกของเกล็ดกราไฟท์ในน้ําโดยใช้ UP200S ซึ่งเป็นเครื่องอัลตราโซนิก 200W พร้อมโซโนโทรด 3 มม. ลูกศรแสดงตําแหน่งของการแยก (การขัดผิว) โดยมีฟองอากาศที่แทรกซึมเข้าไปในการแยก
(การศึกษาและรูปภาพ: © Tyurnina et al. 2020

การเลือกเส้นทางที่เหมาะสม: รักษาไว้หรือปรับเปลี่ยน?

คำถามง่าย ๆ หนึ่งข้อจะกำหนดวิธีที่ดีที่สุด:
คุณต้องการกราฟีนบริสุทธิ์หรือไม่ – หรือกราฟีนออกไซด์ที่ผ่านการทำฟังก์ชันแล้ว?

การลอกชั้นในสถานะของเหลวเน้นการคงรูปของโครงตาข่ายและการเอาชนะแรงระหว่างชั้นอย่างอ่อนโยน
ฮัมเมอร์’ วิธีการเปลี่ยนแปลงทางเคมีโดยเจตนา โดยเพิ่มกลุ่มออกซิเจนและข้อบกพร่อง และอัลตราซาวด์ช่วยปรับปรุงการกระจายตัวเป็นหลักมากกว่าการปกป้องโครงสร้าง

ความแตกต่างนี้มีผลกระทบอย่างมากต่อประสิทธิภาพสุดท้ายของกราฟีนและศักยภาพในการนำไปใช้

ทำไมการขัดผิวด้วยคลื่นเสียงอัลตราโซนิกจึงโดดเด่นสำหรับกราฟีนในอุตสาหกรรม

เมื่อเปรียบเทียบกับวิธีการขัดผิวแบบดั้งเดิม การขัดผิวด้วยของเหลวด้วยคลื่นเสียงความถี่สูง (ultrasonic liquid-phase exfoliation) มอบคุณสมบัติที่หายากซึ่งผสมผสานระหว่างประสิทธิภาพ คุณภาพของผลิตภัณฑ์ และความสามารถในการขยายขนาดการผลิตในระดับอุตสาหกรรม
หนึ่งในข้อได้เปรียบที่สำคัญที่สุดคือผลผลิตการลอกชั้นที่สูง ภายใต้สภาวะการประมวลผลที่เหมาะสมที่สุด การเกิดโพรงเสียงด้วยคลื่นเสียงความถี่สูงสามารถแยกแผ่นกราฟีนออกจากกราไฟท์ได้อย่างมีประสิทธิภาพสูงมาก โดยมักจะได้วัสดุที่เป็นชั้นเดียวเป็นส่วนใหญ่ ซึ่งถือเป็นการพัฒนาที่สำคัญเหนือกว่าการลอกชั้นด้วยวิธีทางกลที่ได้กราฟีนที่สามารถใช้งานได้เพียงปริมาณน้อยมาก
ความสม่ำเสมอเป็นปัจจัยสำคัญอีกประการหนึ่ง เนื่องจากกระบวนการคาวิเทชันสามารถควบคุมได้อย่างแม่นยำ แผ่นกราฟีนที่ได้จึงมีแนวโน้มที่จะมีความหนาและลักษณะเฉพาะที่สม่ำเสมอ ความสามารถในการทำซ้ำนี้มีความสำคัญอย่างยิ่งสำหรับการใช้งานในอุตสาหกรรมที่ความสม่ำเสมอของวัสดุส่งผลโดยตรงต่อประสิทธิภาพของผลิตภัณฑ์
ความสามารถในการปรับขนาดเป็นอีกหนึ่งจุดเด่นของการประมวลผลด้วยคลื่นเสียงความถี่สูง สิ่งที่ทำงานได้ในบีกเกอร์ในห้องปฏิบัติการสามารถถ่ายทอดไปสู่ระดับนำร่องและในที่สุดสู่การผลิตในสายอุตสาหกรรมแบบต่อเนื่องได้ เครื่องปฏิกรณ์แบบไหลต่อเนื่องด้วยคลื่นเสียงความถี่สูงช่วยให้สามารถประมวลผลสารแขวนลอยกราไฟต์ในปริมาณมากภายใต้สภาวะที่ควบคุมได้และทำซ้ำได้ ทำให้เทคโนโลยีนี้มีความเป็นไปได้ในเชิงพาณิชย์
การควบคุมกระบวนการเพิ่มชั้นความยืดหยุ่นอีกระดับหนึ่ง พารามิเตอร์ต่างๆ เช่น แอมพลิจูด, กำลังไฟฟ้าอัลตราโซนิก, ความดัน, อุณหภูมิ, และเวลาการอยู่อาศัยสามารถปรับได้อย่างแม่นยำ ซึ่งช่วยให้ผู้ผลิตสามารถปรับแต่งคุณสมบัติของกราฟีนให้เหมาะกับความต้องการของการใช้งานเฉพาะได้ ในขณะที่ยังคงความสามารถในการทำซ้ำได้
ในที่สุด การลอกผิวด้วยของเหลวแบบใช้อัลตราโซนิกสามารถนำไปใช้ได้ผ่านระบบตัวทำละลายที่ยั่งยืนมากขึ้น ขึ้นอยู่กับสูตรและวัตถุประสงค์การใช้งาน ระบบที่ใช้เอทานอล, ของเหลวไอออนิก หรือแม้แต่น้ำก็สามารถนำมาใช้ได้ ซึ่งให้ประโยชน์ทางสิ่งแวดล้อมและข้อกำหนดทางกฎหมายเมื่อเทียบกับวิธีการทางเคมีที่มีการออกซิเดชันอย่างรุนแรง

ทำไมเครื่องโซนิเคเตอร์แบบโพรบของ Hielscher จึงเหมาะสำหรับการลอกชั้นกราฟีน

Hielscher Ultrasonics ให้บริการแพลตฟอร์มเทคโนโลยีครบวงจรที่ออกแบบมาโดยเฉพาะสำหรับการประมวลผลกราฟีน
ข้อได้เปรียบหลัก ได้แก่:

• อัลตราซาวนด์แบบหัวตรวจ (มีประสิทธิภาพสูงกว่าการแช่ในน้ำมาก)
• ปรับขนาดได้ตั้งแต่ระบบแบบพกพาและตั้งโต๊ะไปจนถึงเครื่องปฏิกรณ์อุตสาหกรรมที่ทำงานตลอด 24 ชั่วโมงทุกวัน
• การควบคุมอย่างแม่นยำต่อแอมพลิจูด, กำลัง, และความดัน
• โครงสร้างที่แข็งแรงทนทานระดับอุตสาหกรรมสำหรับการใช้งานต่อเนื่อง

การประมวลผลแบบชุดกับการประมวลผลแบบอินไลน์: จากห้องปฏิบัติการสู่โรงงาน

ระบบของ Hielscher รองรับทั้งการประมวลผลแบบแบตช์และแบบอินไลน์ ช่วยให้สามารถเปลี่ยนผ่านจากงานวิจัยสู่การผลิตได้อย่างราบรื่น
การโซนิเคชันแบบแบตช์สามารถนำไปใช้ได้อย่างง่ายดายและเหมาะสมอย่างยิ่งสำหรับการวิจัยในห้องปฏิบัติการ การพัฒนาสูตร และการผลิตกราฟีนในปริมาณน้อย โดยให้ความยืดหยุ่นและการปรับค่าพารามิเตอร์ได้อย่างรวดเร็ว จึงเหมาะอย่างยิ่งในช่วงเริ่มต้นของการพัฒนาขั้นตอนการผลิต
สำหรับการผลิตในระดับอุตสาหกรรม อย่างไรก็ตาม การประมวลผลแบบอินไลน์มักเป็นที่นิยมมากกว่า ในรูปแบบนี้ การกระจายตัวของกราไฟต์จะถูกสูบผ่านเซลล์ไหลแบบอัลตราโซนิกอย่างต่อเนื่อง ซึ่งจะทำให้เกิดการสัมผัสกับแรงคาวิเทชันอย่างสม่ำเสมอ ส่งผลให้ได้คุณภาพการลอกชั้นที่สม่ำเสมอและปริมาณการผลิตที่สูง เมื่อรวมกับเครื่องปฏิกรณ์ที่สามารถเพิ่มแรงดันได้ ความเข้มของคาวิเทชันสามารถเพิ่มขึ้นได้อีก ซึ่งช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการลอกชั้นและผลผลิต
การออกแบบแบบโมดูลาร์ของระบบ Hielscher ช่วยให้บริษัทต่างๆ สามารถเริ่มต้นด้วยการทดลองในระดับห้องปฏิบัติการและขยายไปสู่การผลิตในอุตสาหกรรมแบบต่อเนื่องตลอด 24 ชั่วโมงทุกวัน โดยไม่ต้องเปลี่ยนแพลตฟอร์มเทคโนโลยีพื้นฐาน

ตารางด้านล่างให้ข้อบ่งชี้ถึงความสามารถในการประมวลผลโดยประมาณของเครื่องอัลตราโซนิกของเรา:

เหนือกว่ากราฟีน: อัลตราซาวนด์สำหรับวัสดุสองมิติ“ซีเนส”)

การขัดผิวด้วยคลื่นเสียงความถี่สูงไม่ได้จำกัดเฉพาะกราฟีนเท่านั้น
นอกจากนี้ยังมีการใช้กันอย่างแพร่หลายในการผลิตเซเลน ซึ่งเป็นอะนาล็อกสองมิติแบบชั้นเดียวของกราฟีน รวมถึง:

• บอโรเฟน (และบอโรเฟนนาโนริบบอน / บอโรเฟนออกไซด์)
• เอ็มซีน (คาร์ไบด์, ไนไตรด์, คาร์บอนไนไตรด์ของโลหะทรานซิชันสองมิติ)
• บิสมัทีน (เป็นที่รู้จักในด้านอิเล็กโทรคาทาลิซิสและความเข้ากันได้ทางชีวภาพ)
• ซิลิซีน (กราฟีน-ไลค์ 2D ซิลิคอน)

กลไกการเกิดโพรงอากาศเดียวกันนี้ทำให้อัลตราซาวนด์เป็นหนึ่งในวิธีการที่สามารถปรับขนาดได้มากที่สุดสำหรับวัสดุ 2 มิติหลายชั้นหลายประเภท