การขัดผิวอัลตราโซนิกของ Xenes

ซีเน่เป็นวัสดุนาโนธาตุเดี่ยว 2 มิติที่มีคุณสมบัติพิเศษ เช่น พื้นที่ผิวสูงมาก คุณสมบัติทางกายภาพ / เคมีแบบแอนไอโซทรอปิก รวมถึงการนําไฟฟ้าที่เหนือกว่าหรือความต้านทานแรงดึง การขัดผิวหรือลอกคลื่นอัลตราโซนิกเป็นเทคนิคที่มีประสิทธิภาพและเชื่อถือได้ในการผลิตแผ่นนาโน 2 มิติชั้นเดียวจากวัสดุสารตั้งต้นแบบชั้น การขัดผิวด้วยอัลตราโซนิกได้รับการจัดตั้งขึ้นแล้วสําหรับการผลิตแผ่นนาโนซีเนสคุณภาพสูงในระดับอุตสาหกรรม

ซีเนส – โครงสร้างนาโนเลเยอร์เดียว

ซีนเป็นวัสดุนาโนธาตุเดี่ยวชั้นเดียว (2D) ซึ่งมีโครงสร้างคล้ายกราฟีน พันธะโควาเลนต์ภายในชั้น และแรงฟานเดอร์วาลส์ที่อ่อนแอระหว่างชั้น ตัวอย่างสําหรับวัสดุซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของคลาสซีน ได้แก่ โบโรฟีน ซิลิเซน เจอร์มานีน สตานีน ฟอสโฟรีน (ฟอสฟอรัสดํา) อาร์เซนีน บิสมูทีน และเทลลูรีนและแอนติโมนีน เนื่องจากโครงสร้าง 2 มิติชั้นเดียววัสดุนาโนซีนจึงมีลักษณะเฉพาะด้วยพื้นผิวที่ใหญ่มากรวมถึงปฏิกิริยาทางเคมีและทางกายภาพที่ดีขึ้น ลักษณะโครงสร้างนี้ทําให้วัสดุนาโนซีนมีคุณสมบัติโฟโตนิกตัวเร่งปฏิกิริยาแม่เหล็กและอิเล็กทรอนิกส์ที่น่าประทับใจและทําให้โครงสร้างนาโนเหล่านี้น่าสนใจมากสําหรับการใช้งานในอุตสาหกรรมจํานวนมาก ภาพด้านซ้ายแสดงภาพ SEM ของโบโรฟีนที่ขัดผิวด้วยอัลตราโซนิก

การผลิตวัสดุนาโน Xenes โดยใช้การหลุดลอกด้วยอัลตราโซนิก

การขัดผิวด้วยของเหลวของวัสดุนาโนชั้น: แผ่นนาโน 2 มิติชั้นเดียวผลิตจากวัสดุอนินทรีย์ที่มีโครงสร้างชั้น (เช่น กราไฟท์) ที่ประกอบด้วยชั้นโฮสต์ที่ซ้อนกันอย่างหลวมๆ ซึ่งแสดงการขยายตัวของแกลเลอรีแบบชั้นต่อชั้นหรือการบวมเมื่อแทรกตัวของไอออนและ/หรือตัวทําละลายบางชนิด การขัดผิวซึ่งเฟสชั้นถูกแยกออกเป็นแผ่นนาโนโดยทั่วไปจะมาพร้อมกับการบวมเนื่องจากแรงดึงดูดไฟฟ้าสถิตที่อ่อนแอลงอย่างรวดเร็วระหว่างชั้นซึ่งก่อให้เกิดการกระจายตัวของคอลลอยด์ของชั้นหรือแผ่น 2 มิติแต่ละชั้น (อ้างอิง Geng et al, 2013) โดยทั่วไปเป็นที่ทราบกันดีว่าอาการบวมช่วยในการขัดผิวผ่านอัลตราโซนิกและส่งผลให้แผ่นนาโนที่มีประจุลบ การปรับสภาพด้วยสารเคมียังช่วยอํานวยความสะดวกในการขัดผิวโดยใช้ sonication ในตัวทําละลาย ตัวอย่างเช่น การทํางานช่วยให้สามารถผลัดเซลล์ผิวของไฮดรอกไซด์คู่ (LDHs) ในแอลกอฮอล์ได้ (อ้างอิง Nicolosi et al., 2013)
สําหรับการขัดผิว / การหลุดลอกด้วยอัลตราโซนิกวัสดุชั้นจะสัมผัสกับคลื่นอัลตราโซนิกที่ทรงพลังในตัวทําละลาย เมื่อคลื่นอัลตราซาวนด์ที่มีพลังงานหนาแน่นถูกจับคู่เป็นของเหลวหรือสารละลายอะคูสติกหรือที่เรียกว่าโพรงอากาศอัลตราโซนิกจะเกิดขึ้น โพรงอากาศอัลตราโซนิกมีลักษณะการยุบตัวของฟองสูญญากาศ คลื่นอัลตราซาวนด์เดินทางผ่านของเหลวและสร้างวงจรความดันต่ํา/แรงดันสูงสลับกัน ฟองอากาศสูญญากาศนาทีเกิดขึ้นระหว่างรอบความดันต่ํา (หายาก) และเติบโตในรอบความดันต่ํา / ความดันสูงต่างๆ เมื่อฟองอากาศไปถึงจุดที่ไม่สามารถดูดซับพลังงานได้อีกฟองอากาศจะระเบิดอย่างรุนแรงและสร้างสภาวะที่มีพลังงานหนาแน่นในท้องถิ่น ฮอตสปอตโพรงอากาศถูกกําหนดโดยความดันและอุณหภูมิที่สูงมากความดันและความแตกต่างของอุณหภูมิตามลําดับไอพ่นของเหลวความเร็วสูงและแรงเฉือน แรง sonomechanical และ sonochemical เหล่านี้ผลักตัวทําละลายระหว่างชั้นที่ซ้อนกันและทําลายโครงสร้างอนุภาคและผลึกชั้นต่างๆ จึงทําให้เกิดแผ่นนาโนที่ผลัดเซลล์ผิว ลําดับภาพด้านล่างแสดงให้เห็นถึงกระบวนการขัดผิวโดยการโพรงอากาศอัลตราโซนิก

ลําดับความเร็วสูง (จาก a ถึง f) ของเฟรมที่แสดงให้เห็นถึงการขัดผิวแบบกลไกของเกล็ดกราไฟท์ในน้ําโดยใช้ UP200S เครื่องอัลตราโซนิก 200W พร้อม sonotrode ขนาด 3 มม. ลูกศรแสดงตําแหน่งของการแยก (การขัดผิว) โดยมีฟองอากาศที่แทรกซึมเข้าไปในการแยก
© Tyurnina และคณะ 2020 (CC BY-NC-ND 4.0)

การสร้างแบบจําลองแสดงให้เห็นว่าหากพลังงานพื้นผิวของตัวทําละลายคล้ายกับพลังงานของวัสดุชั้นความแตกต่างของพลังงานระหว่างสถานะที่ผลัดเซลล์ผิวและสถานะรวมตัวใหม่จะมีขนาดเล็กมากซึ่งจะขจัดแรงผลักดันสําหรับการรวมตัวใหม่ เมื่อเปรียบเทียบกับวิธีการกวนและการตัดทางเลือกเครื่องกวนอัลตราโซนิกให้แหล่งพลังงานที่มีประสิทธิภาพมากขึ้นสําหรับการขัดผิวซึ่งนําไปสู่การสาธิตการขัดผิวแบบไอออนช่วยในการขัดผิวของ TaS₂, เอ็นบีเอส₂และ MoS₂เช่นเดียวกับออกไซด์ชั้น (อ้างอิง Nicolosi et al., 2013)

ภาพ TEM ของแผ่นนาโนที่ผลัดเซลล์ผิวด้วยของเหลวอัลตราโซนิก: (A) แผ่นนาโนกราฟีนที่ผลัดเซลล์ผิวโดยใช้วิธีการ sonication ในตัวทําละลาย N-methyl-pyrrolidone (B) แผ่นนาโน h-BN ที่ขัดผิวโดยใช้ sonication ในตัวทําละลายไอโซโพรพานอล (C) แผ่นนาโน MoS2 ที่ขัดผิวโดยใช้ sonication ในสารละลายลดแรงตึงผิวที่เป็นน้ํา
(การศึกษาและรูปภาพ: ©Nicolosi et al., 2013)

โปรโตคอลการขัดผิวแบบอัลตราโซนิกของเหลว

การขัดผิวอัลตราโซนิกและการหลุดลอกของซีนและวัสดุนาโนชั้นเดียวอื่น ๆ ได้รับการศึกษาอย่างกว้างขวางในการวิจัยและประสบความสําเร็จในการถ่ายโอนไปยังขั้นตอนการผลิตทางอุตสาหกรรม ด้านล่างนี้เรานําเสนอโปรโตคอลการขัดผิวที่เลือกโดยใช้ sonication

การขัดผิวอัลตราโซนิกของ Phosphorene Nanoflakes

ฟอสโฟรีน (หรือที่เรียกว่าฟอสฟอรัสดํา, BP) เป็นวัสดุธาตุเดี่ยวชั้น 2 มิติที่เกิดจากอะตอมของฟอสฟอรัส
ในการวิจัยของ Passaglia et al. (2018) การจัดทําสารแขวนลอยที่เสถียรของฟอสโฟรีน − เมทิลเมทาคริเลตโดยการขัดผิวเฟสของเหลวช่วย (LPE) ของ bP ในที่ที่มี MMA ตามด้วยพอลิเมอไรเซชันแบบอนุมูล เมทิลเมทาคริเลต (MMA) เป็นโมโนเมอร์เหลว

โปรโตคอลสําหรับการขัดผิวด้วยอัลตราโซนิกของเหลวของฟอสโฟรีน

การแขวนลอย MMA_bPn, NVP_bPn และ Sty_bPn ได้รับโดย LPE ต่อหน้าโมโนเมอร์เพียงตัวเดียว ในขั้นตอนทั่วไป bP ∼5 มก. บดอย่างระมัดระวังในปูน ถูกใส่ในหลอดทดลอง จากนั้นจึงเติม MMA, Sty หรือ NVP ในปริมาณถ่วงน้ําหนัก ระบบกันสะเทือนโมโนเมอร์ bP ถูกโซนิกเป็นเวลา 90 นาทีโดยใช้โฮโมจีไนเซอร์ Hielscher Ultrasonics UP200St (200W, 26kHz) พร้อมกับ sonotrode S26d2 (เส้นผ่านศูนย์กลางปลาย: 2 มม.) แอมพลิจูดอัลตราโซนิกคงที่ที่ 50% โดยมี P = 7 W ในทุกกรณี อ่างน้ําแข็งถูกนํามาใช้เพื่อปรับปรุงการกระจายความร้อน การระงับ MMA_bPn, NVP_bPn และ Sty_bPn ครั้งสุดท้ายจะถูกเติมด้วย N2 เป็นเวลา 15 นาที ระบบกันสะเทือนทั้งหมดได้รับการวิเคราะห์โดย DLS ซึ่งแสดงให้เห็นว่าค่า rH ใกล้เคียงกับ DMSO_bPn มาก ตัวอย่างเช่น ระบบกันสะเทือนของ MMA_bPn (มีประมาณ 1% ของปริมาณ bP) มีลักษณะเป็น rH = 512 ± 58 นาโนเมตร
ในขณะที่การศึกษาทางวิทยาศาสตร์อื่น ๆ เกี่ยวกับฟอสโฟรีนรายงานเวลาการ sonication หลายชั่วโมงโดยใช้เครื่องทําความสะอาดอัลตราโซนิกตัวทําละลายจุดเดือดสูงและประสิทธิภาพต่ําทีมวิจัยของ Passaglia แสดงให้เห็นถึงโปรโตคอลการขัดผิวอัลตราโซนิกที่มีประสิทธิภาพสูงโดยใช้เครื่องอัลตราโซนิกชนิดโพรบ (นั่นคือ เครื่องอัลตราโซนิก Hielscher รุ่น UP200St).

การขัดผิวอัลตราโซนิกของ Monolayer Nanosheets

หากต้องการอ่านรายละเอียดเฉพาะเพิ่มเติมและโปรโตคอลการขัดผิวสําหรับแผ่นนาโนโบโรฟีนและรูทีเนียมออกไซด์ โปรดไปที่ลิงค์ด้านล่าง:
โบโรเฟน: สําหรับโปรโตคอล sonication และผลของการขัดผิวด้วยอัลตราโซนิก borophene โปรดคลิกที่นี่!
รูโอ 2: สําหรับโปรโตคอล sonication และผลลัพธ์ของการขัดผิวรูทีเนียมออกไซด์แบบอัลตราโซนิกรูทีเนียมออกไซด์แผ่นนาโนโปรดคลิกที่นี่!

การขัดผิวอัลตราโซนิกของซิลิกานาโนเพียงไม่กี่ชั้น

แผ่นนาโนซิลิกาที่ขัดผิวเพียงไม่กี่ชั้นถูกเตรียมจากเวอร์มิคูไลท์ธรรมชาติ (Verm) ผ่านการขัดผิวด้วยอัลตราโซนิก สําหรับการสังเคราะห์แผ่นนาโนซิลิกาที่ขัดผิว จะใช้วิธีการขัดผิวเฟสของเหลวต่อไปนี้: แผ่นนาโนซิลิกา 40 มก. กระจายตัวในเอทานอลสัมบูรณ์ 40 มล. ต่อจากนั้นส่วนผสมถูกอัลตราโซนิกเป็นเวลา 2 ชั่วโมงโดยใช้โปรเซสเซอร์อัลตราโซนิก Hielscher UP200St พร้อมกับโซโนโตรด์ขนาด 7 มม. แอมพลิจูดของคลื่นอัลตราซาวนด์คงที่ที่ 70% ใช้อ่างน้ําแข็งเพื่อหลีกเลี่ยงความร้อนสูงเกินไป SN ที่ไม่ได้ขัดผิวถูกลบออกโดยการหมุนเหวี่ยงที่ 1,000 รอบต่อนาทีเป็นเวลา 10 นาที ในที่สุดผลิตภัณฑ์ก็ถูกล้างออกและทําให้แห้งที่อุณหภูมิห้องภายใต้สุญญากาศข้ามคืน (อ้างอิง Guo et al., 2022)

โพรบอัลตราซาวนด์กําลังสูงและเครื่องปฏิกรณ์สําหรับการขัดผิวของซีเนสนาโนชีต

Hielscher Ultrasonics ออกแบบผลิตและจัดจําหน่ายเครื่องอัลตราโซนิกที่แข็งแกร่งและเชื่อถือได้ในทุกขนาด ตั้งแต่อุปกรณ์อัลตราโซนิกในห้องปฏิบัติการขนาดกะทัดรัดไปจนถึงโพรบอัลตราโซนิกอุตสาหกรรมและเครื่องปฏิกรณ์ Hielscher มีระบบอัลตราโซนิกที่เหมาะสําหรับกระบวนการของคุณ ด้วยประสบการณ์อันยาวนานในการใช้งาน เช่น การสังเคราะห์และการกระจายตัวของวัสดุนาโน พนักงานที่ผ่านการฝึกอบรมมาเป็นอย่างดีของเราจะแนะนําการตั้งค่าที่เหมาะสมที่สุดสําหรับความต้องการของคุณ โปรเซสเซอร์อัลตราโซนิกอุตสาหกรรม Hielscher เป็นที่รู้จักกันว่าเป็นม้าทํางานที่เชื่อถือได้ในโรงงานอุตสาหกรรม เครื่องอัลตราโซนิก Hielscher สามารถให้แอมพลิจูดที่สูงมากเหมาะอย่างยิ่งสําหรับการใช้งานที่มีประสิทธิภาพสูงเช่นการสังเคราะห์ซีนและวัสดุนาโนชั้นเดียว 2 มิติอื่น ๆ เช่นโบโรฟีนฟอสโฟรีนหรือกราฟีนตลอดจนการกระจายตัวที่เชื่อถือได้ของโครงสร้างนาโนเหล่านี้
อัลตราซาวนด์ที่ทรงพลังเป็นพิเศษ: Hielscher Ultrasonics’ โปรเซสเซอร์อัลตราโซนิกอุตสาหกรรมสามารถให้แอมพลิจูดที่สูงมาก แอมพลิจูดสูงถึง 200μm สามารถทํางานต่อเนื่องได้อย่างง่ายดายในการทํางานตลอด 24 ชั่วโมงทุกวัน สําหรับแอมพลิจูดที่สูงขึ้นมี sonotrodes อัลตราโซนิกแบบกําหนดเอง
คุณภาพสูงสุด – ออกแบบและผลิตในประเทศเยอรมนี: อุปกรณ์ทั้งหมดได้รับการออกแบบและผลิตในสํานักงานใหญ่ของเราในประเทศเยอรมนี ก่อนส่งมอบให้กับลูกค้าอุปกรณ์อัลตราโซนิกทุกชิ้นได้รับการทดสอบอย่างรอบคอบภายใต้ภาระเต็มที่ เรามุ่งมั่นเพื่อความพึงพอใจของลูกค้า และการผลิตของเรามีโครงสร้างเพื่อให้เป็นไปตามการประกันคุณภาพสูงสุด (เช่น การรับรองมาตรฐาน ISO)

ตารางด้านล่างให้ข้อบ่งชี้ถึงความสามารถในการประมวลผลโดยประมาณของเครื่องอัลตราโซนิกของเรา: