Tek Duvarlı Karbon Nanotüpler Tek Tek Nasıl Disperse Edilir?

Tek Duvarlı Karbon Nanotüpler (SWNT veya SWCNT) benzersiz özelliklere sahiptir; ancak bu özellikleri ortaya koyabilmeleri için tek tek disperse edilmeleri gerekir. Tek duvarlı karbon nanotüplerin olağanüstü özelliklerinden tam olarak yararlanmak için tüplerin birbirine dolaşmış yapıları mümkün olan en eksiksiz şekilde çözülmelidir. Diğer nanopartiküller gibi SWNT’ler de çok yüksek çekim kuvvetleri gösterir; bu nedenle güvenilir bir deaglomerasyon ve dispersiyon için güçlü ve verimli bir teknik gerekir. Yaygın karıştırma teknikleri, SWNT’lerin birbirine dolaşmış yapılarını onlara zarar vermeden çözmek için gereken yoğunluğu sağlayamazken, yüksek güçlü ultrasonun SWCNT’lerin birbirine dolaşmış yapılarını çözdüğü ve onları disperse ettiği kanıtlanmıştır. Ultrasonik olarak oluşturulan kavitasyon kaynaklı kesme kuvvetleri, bağlanma kuvvetlerini aşacak kadar güçlüdür; aynı zamanda ultrason yoğunluğu, SWCNT’lerin zarar görmesini önlemek için hassas biçimde ayarlanabilir.

Sorun:

Tek Duvarlı Karbon Nanotüpler (SWCNT), elektriksel özellikleri bakımından Çok Duvarlı Karbon Nanotüplerden (MWNT/ MWCNT) farklıdır. SWCNT’lerin bant aralığı sıfır ile 2 eV arasında değişebilir ve elektriksel iletkenlikleri metalik veya yarı iletken davranış gösterir. Tek Duvarlı Karbon Nanotüpler yüksek kohezyona sahip olduğundan, SWCNT’lerin işlenmesindeki başlıca engellerden biri, tüplerin organik çözücülerde veya suda doğaları gereği çözünmemesidir. SWCNT’lerin tüm potansiyelinden yararlanmak için tüplere yönelik basit, güvenilir ve ölçeklenebilir bir deaglomerasyon süreci gerekir. Özellikle, SWCNT’ler ile organik çözücü arasında uygun bir arayüz oluşturmak amacıyla CNT yan duvarlarının veya açık uçlarının işlevselleştirilmesi, SWCNT’lerin yalnızca kısmen eksfoliye olmasını sağlar. Bu nedenle SWCNT’ler çoğunlukla tek tek deaglomere edilmiş iplikler yerine demetler halinde disperse edilir. Dispersiyon sırasındaki koşullar çok sert olursa, SWCNT’ler 80 ile 200nm arasındaki uzunluklara kadar kısalır. Pratik uygulamaların çoğu, yani yarı iletken veya takviye edici SWCNT’lerin kullanıldığı uygulamalar için bu uzunluk çok küçüktür.

Çözüm:

Yüksek yoğunluklu ultrasonun ultrasonik dalgaları sıvılarda kavitasyon oluşturduğundan, ultrasonikasyon Karbon Nanotüplerin dispersiyonu ve deaglomerasyonu için çok etkili bir yöntemdir. Sıvı ortamda yayılan ses dalgaları, frekansa bağlı hızlarda birbirini izleyen yüksek basınç (sıkışma) ve düşük basınç (seyrelme) döngülerine yol açar. Düşük basınç döngüsü sırasında, yüksek yoğunluklu ultrasonik dalgalar sıvıda küçük vakum kabarcıkları veya boşluklar oluşturur. Kabarcıklar artık enerji absorbe edemeyecekleri bir hacme ulaştığında, yüksek basınç döngüsü sırasında şiddetle çöker. Bu olguya kavitasyon denir. İçe doğru çökme sırasında yerel olarak çok yüksek sıcaklıklara (yaklaşık 5.000K) ve basınçlara (yaklaşık 2.000atm) ulaşılır. Kavitasyon kabarcığının içe doğru çökmesi, ayrıca hızı 280m/s’ye kadar ulaşan sıvı jetleri oluşturur. Bu sıvı jet akımları, ultrasonik kavitasyon sonucunda oluşur ve Karbon Nanotüpler arasındaki bağlanma kuvvetlerini aşar; böylece nanotüpler deaglomere olur. Hafif ve kontrollü bir ultrasonik işlem, uzunluğu yüksek olan disperse edilmiş SWCNT’lerin yüzey aktif maddelerle stabilize edilmiş süspansiyonlarını oluşturmak için uygun bir yöntemdir. SWCNT’lerin kontrollü üretimi için Hielscher ultrasonik işlemcileri, geniş bir ultrasonik parametre seti aralığında çalışmaya olanak tanır. Ultrasonik genlik, sıvı basıncı ve sıvı bileşimi, ilgili malzemeye ve sürece göre değiştirilebilir. Bu, aşağıdakiler gibi çeşitli ayarlama olanakları sunar:

• 170 mikrona kadar sonotrot genlikleri
• 10 bara kadar sıvı basınçları
• 15L/min’e kadar sıvı debileri (sürece bağlı olarak)
• 80 degC’ye kadar sıvı sıcaklıkları (diğer sıcaklıklar talep üzerine)
• 100.000cp’ye kadar malzeme viskozitesi

 

Ayrıca ultrasonikasyon, polimer destekli bir saflaştırma yöntemi olarak, büyütüldüğü haliyle kullanılan SWCNT’lerdeki safsızlıkların etkili biçimde giderilmesini sağlar. Saf SWNT’ler elde etmek zor olduğundan, SWCNT’lerin kimyasal modifikasyonunu moleküler düzeyde incelemek zordur. Büyütüldüğü haliyle kullanılan SWCNT’ler, metal parçacıkları ve amorf karbonlar gibi birçok safsızlık içerir. SWCNT’lerin poli(metil metakrilat) PMMA’nın monoklorobenzen (MCB) çözeltisinde ultrasonikasyona tabi tutulması ve ardından filtrasyon uygulanması, SWCNT’leri saflaştırmanın etkili bir yoludur. Bu polimer destekli saflaştırma yöntemi, büyütüldüğü haliyle kullanılan SWCNT’lerdeki safsızlıkların etkili biçimde giderilmesini sağlar. Ultrasonikasyon genliğinin hassas biçimde kontrol edilmesi, SWCNT’lerin zarar görmesini önlemeye veya sınırlamaya olanak tanır.

Ultrasonik Ekipman

Hielscher, her hacimde sonikasyon için yüksek performanslı ultrasonik işlemciler sunar. Gruplar halinde kurulabilen, 50 watt ile 16.000 watt arasında güce sahip ultrasonik cihazlar, hem laboratuvarda hem de endüstride her uygulama için uygun ultrasonik cihazın bulunmasına olanak tanır. Nanotüplerin gelişmiş dispersiyonu için sürekli sonikasyon önerilir. Hielscher akış hücreleri kullanılarak CNT’lerin polimerler, yüksek viskoziteli eriyikler ve termoplastikler gibi yüksek viskoziteli sıvılara disperse edilmesi mümkün hale gelir.

Nanotüplerin yüksek güçlü ultrasonla dispersiyonu ve modifikasyonu hakkında daha fazla bilgi edinmek için buraya tıklayın!