Bor Nitrür Nanotüpler – Sonikasyonla Eksfoliye Edilmiş ve Disperse Edilmiş

Ultrasonikasyon, bor nitrür nanotüplerin (BNNT’lerin) işlenmesi ve dispersiyonu için başarıyla uygulanmaktadır. Yüksek yoğunluklu sonikasyon, çeşitli çözeltilerde dolaşıklıkların homojen biçimde açılmasını ve homojen dağılımı sağlar; bu nedenle BNNT’lerin çözeltilere ve matrislere dahil edilmesinde kritik bir işleme tekniğidir.

Bor Nitrür Nanotüplerin Ultrasonik İşlenmesi

Bor nitrür nanotüplerin (BNNT’lerin) veya nanotabakalar ve nanoşeritler gibi bor nitrür nanoyapıların (BNN’lerin) sıvı çözeltilere ya da polimerik matrislere dahil edilmesi için verimli ve güvenilir bir dispersiyon tekniği gereklidir. Ultrasonik dispersiyon, bor nitrür nanotüplerin ve bor nitrür nanoyapıların yüksek verimlilikle eksfoliye edilmesi, dolaşıklıklarının açılması, disperse edilmesi ve işlevselleştirilmesi için gereken enerjiyi sağlar. Yüksek yoğunluklu ultrasonun hassas biçimde kontrol edilebilen işleme parametreleri (yani enerji, genlik, süre, sıcaklık ve basınç), işleme koşullarının hedeflenen proses amacına göre ayrı ayrı ayarlanmasına olanak tanır. Bu, ultrasonik yoğunluğun belirli formülasyona (BNNT kalitesi, çözücü, katı-sıvı konsantrasyonu vb.) göre ayarlanabileceği ve böylece optimum sonuçların elde edilebileceği anlamına gelir.

Ultrasonik BNNT ve BNN işleme uygulamaları, iki boyutlu bor nitrür nanoyapıların (2D-BNN’lerin) homojen dispersiyonundan bunların işlevselleştirilmesine ve tek katmanlı hekzagonal bor nitrürün kimyasal eksfoliasyonuna kadar tüm yelpazeyi kapsar. Aşağıda BNNT’lerin ve BNN’lerin ultrasonik dispersiyonu, eksfoliasyonu ve işlevselleştirilmesi hakkında ayrıntılar sunuyoruz.

Bor Nitrür Nanotüplerin Ultrasonik Dispersiyonu

Bor nitrür nanotüpler (BNNT’ler), polimerleri güçlendirmek veya yeni malzemeler sentezlemek için kullanıldığında, matris içerisinde düzgün ve güvenilir bir dispersiyon gereklidir. Ultrasonik disperserler, CNT’ler, metalik nanopartiküller, çekirdek-kabuk partiküller ve diğer nanopartikül türleri gibi nanomalzemeleri ikinci bir faza disperse etmek için yaygın olarak kullanılır.
Ultrasonik dispersiyon, BNNT’lerin dolaşıklıklarını açmak ve bunları etanol, PVP içeren etanol, TX100 içeren etanol dahil sulu ve susuz çözeltilerde ve çeşitli polimerlerde (ör. poliüretan) düzgün biçimde dağıtmak için başarıyla uygulanmıştır.
Ultrasonik olarak hazırlanmış bir BNNT dispersiyonunu stabilize etmek için yaygın olarak kullanılan bir yüzey aktif madde, 1%wt sodyum dodesil sülfat (SDS) çözeltisidir. Örneğin, 5 mg BNNT, 5 mL 1%wt. SDS çözeltisi içeren bir şişede, UP200St (26kHz, 200W) gibi ultrasonik prob tipi bir disperser kullanılarak ultrasonik olarak disperse edilir.

Ultrason Kullanılarak BNNT’lerin Sulu Dispersiyonu

Güçlü van der Waals etkileşimleri ve hidrofobik yüzeyleri nedeniyle bor nitrür nanotüplerin su bazlı çözeltilerde disperse edilebilirliği düşüktür. Bu sorunları çözmek için Jeon et al. (2019), BNNT’yi sonikasyon altında işlevselleştirmek amacıyla hem hidrofilik hem de hidrofobik grupları olan Pluronic P85 ve F127 kullanmıştır.

Sonikasyonla Bor Nitrür Nanotabakaların Yüzey Aktif Madde Kullanılmadan Eksfoliasyonu

Lin et al. (2011), hekzagonal bor nitrürün (h-BN) eksfoliasyonu ve dispersiyonu için temiz bir yöntem sunmaktadır. Hekzagonal bor nitrür geleneksel olarak suda çözünmez kabul edilir. Ancak araştırmacılar, suyun ultrasonikasyon kullanılarak katmanlı h-BN yapılarının eksfoliye edilmesinde etkili olduğunu ve yüzey aktif maddeler ya da organik işlevselleştirme kullanılmadan h-BN nanotabakaların “temiz” sulu dispersiyonlarını oluşturduğunu gösterebilmiştir. Bu ultrasonik eksfoliasyon prosesi, az katmanlı h-BN nanotabakaların yanı sıra tek katmanlı nanotabaka ve nanoşerit türleri üretmiştir. Nanotabakaların çoğunun yanal boyutları küçülmüştür; bu durum, sonikasyon destekli hidrolizin neden olduğu başlangıç h-BN tabakalarının kesilmesine bağlanmıştır (amonyak testi ve spektroskopi sonuçlarıyla doğrulanmıştır). Ultrasonik olarak indüklenen hidroliz, çözücünün polarite etkisine yardımcı olarak h-BN nanotabakaların eksfoliasyonunu da desteklemiştir. Bu “temiz” sulu dispersiyonlardaki h-BN nanotabakalar, fiziksel özelliklerini koruyarak çözelti yöntemleriyle iyi işlenebilirlik sergilemiştir. Suda disperse edilmiş h-BN nanotabakalar ayrıca ferritin gibi proteinlere karşı güçlü afinite göstermiştir; bu da nanotabaka yüzeylerinin daha ileri biyokonjugasyonlara uygun olduğunu düşündürmektedir.

Ultrasonik kavitasyon ve kesme kuvvetlerini kullanan sonomekanik dispersiyon yöntemi, BNNT’lerin bütünlüklerini ve kendilerine özgü özelliklerini korurken demetlerini ayırabildiği ve tek tek BNNT’leri stabilize edebildiği kanıtlanmış, tamamen fiziksel bir karıştırma yaklaşımıdır. Uygun ultrasonik enerji (Ws/mL), yani ayarlanmış genlik ve sonikasyon süresi uygulanarak ultrasonik dispersiyon, BNNTS’nin dolaşıklıklarını açabilir ve bunları düzgün biçimde disperse edebilir. Bor nitrür nanotüplerin uzunluğunun azaltılması gerekiyorsa daha yüksek genlikler ve daha uzun sonikasyon uygulanabilir. Bir sonraki bölümde BNNT’lerin ultrasonik boyut küçültülmesi ve uzunluklarının kesilerek azaltılması hakkında daha fazla bilgi edinin.

Bor Nitrür Nanotüplerin Ultrasonik Boyut Küçültülmesi ve Kesilmesi

Bor nitrür nanotüplerin uzunluğu, BNNT’lerin daha sonra polimerlere ve diğer işlevselleştirilmiş malzemelere işlenmesinde kritik bir rol oynar. Bu nedenle, çözücü içerisindeki BNNT’lerin sonikasyonunun BNNT’leri yalnızca tek tek ayırmakla kalmayıp kontrollü koşullar altında bambu yapılı BNNT’leri de kısaltabilmesi önemli bir olgudur. Kısaltılmış BNNT’lerin kompozit hazırlama sırasında demet oluşturma olasılığı çok daha düşüktür. Lee at al. (2012), işlevselleştirilmiş BNNT’lerin uzunluklarının ultrasonikasyonla >10µm’den ∼500nm’ye verimli biçimde kısaltılabileceğini göstermiştir. Deneyleri, BNNT’lerin bu şekilde boyutlarının küçültülmesi ve kesilmesi için çözeltide etkili ultrasonik dispersiyonun gerekli olduğunu düşündürmektedir.

BNNT İşleme için Yüksek Performanslı Sonikatörler

Hielscher sonikatörlerinin akıllı özellikleri, güvenilir çalışmayı, tekrarlanabilir sonuçları ve kullanım kolaylığını garanti etmek üzere tasarlanmıştır. Çalışma ayarlarına, dijital renkli dokunmatik ekran ve tarayıcı üzerinden uzaktan kontrol yoluyla erişilebilen sezgisel menüden kolayca erişilebilir ve ayarlar yapılabilir. Böylece net enerji, toplam enerji, genlik, süre, basınç ve sıcaklık gibi tüm işleme koşulları dahili bir SD karta otomatik olarak kaydedilir. Bu, önceki sonikasyon işlemlerini gözden geçirip karşılaştırmanıza ve bor nitrür nanotüplerin ve nanomalzemelerin eksfoliasyon ve dispersiyon prosesini en yüksek verimliliğe ulaşacak şekilde optimize etmenize olanak tanır.
Hielscher Ultrasonics sistemleri, yüksek kaliteli BNNT’lerin üretiminde dünya çapında kullanılmaktadır. Hielscher endüstriyel sonikatörleri, sürekli çalışmada (24/7/365) yüksek genliklerde kolayca çalışabilir. Standart sonotrotlarla (ultrasonik problar / hornlar) 200µm’ye kadar genlikler kolayca ve sürekli olarak üretilebilir. Daha da yüksek genlikler için özel olarak uyarlanmış ultrasonik sonotrotlar mevcuttur. Sağlamlıkları ve düşük bakım gereksinimleri nedeniyle ultrasonik eksfoliasyon ve dispersiyon sistemlerimiz, ağır hizmet uygulamaları için ve zorlu ortamlarda yaygın olarak kurulmaktadır.
Hielscher Ultrasonics endüstriyel ultrasonik işlemcileri çok yüksek genlikler sağlayabilir. 200µm’ye kadar genliklerde 24/7 çalışma sırasında kolayca ve sürekli olarak çalışılabilir. Daha da yüksek genlikler için özel olarak uyarlanmış ultrasonik sonotrotlar mevcuttur.
Bor nitrür nanotüplerin yanı sıra CNT’lerin ve grafenin dispersiyonu ve eksfoliasyonu için Hielscher ultrasonik işlemcileri, dünya çapında ticari ölçekte halihazırda kurulmuştur. BNNT üretim prosesinizi görüşmek için şimdi bizimle iletişime geçin! Deneyimli personelimiz, eksfoliasyon prosesi, ultrasonik sistemler ve fiyatlandırma hakkında daha fazla bilgi paylaşmaktan memnuniyet duyacaktır!
Aşağıdaki tablo, sonikatörlerimizin yaklaşık işleme kapasitesi hakkında fikir vermektedir: