Xenes Malzemelerinin Ultrasonik Eksfoliasyonu

Xenes malzemeleri, çok yüksek yüzey alanı ve üstün elektrik iletkenliği veya çekme dayanımı dahil olmak üzere anizotropik fiziksel / kimyasal özellikler gibi olağanüstü özelliklere sahip, tek elementli 2D nanomalzemelerdir. Ultrasonik eksfoliasyon veya delaminasyon, katmanlı öncül malzemelerden tek katmanlı 2D nanotabakalar üretmek için verimli ve güvenilir bir tekniktir. Ultrasonik eksfoliasyon, endüstriyel ölçekte yüksek kaliteli xenes nanotabakalarının üretimi için hâlihazırda yerleşik bir yöntemdir.

Xenes – Tek Katmanlı Nanoyapılar

Xenes malzemeleri, grafen benzeri bir yapıya, katman içi kovalent bağlara ve katmanlar arasında zayıf van der Waals kuvvetlerine sahip, tek katmanlı (2D), tek elementli nanomalzemelerdir. Xenes sınıfına ait malzemelere örnek olarak borofen, silisen, germanen, stanen, fosforen (siyah fosfor), arsenen, bizmuten, tellüren ve antimonen verilebilir. Tek katmanlı 2D yapıları nedeniyle xenes nanomalzemeleri, çok geniş bir yüzeyin yanı sıra gelişmiş kimyasal ve fiziksel reaktiviteleriyle karakterize edilir. Bu yapısal özellikler, xenes nanomalzemelerine etkileyici fotonik, katalitik, manyetik ve elektronik özellikler kazandırır ve bu nanoyapıları çok sayıda endüstriyel uygulama için oldukça ilgi çekici hâle getirir. Soldaki resim, ultrasonik olarak eksfoliye edilmiş borofenin SEM görüntülerini göstermektedir.

Ultrasonik Delaminasyon ile Xenes Nanomalzemelerinin Üretimi

Katmanlı Nanomalzemelerin Sıvı Ortamda Eksfoliasyonu: Tek katmanlı 2D nanotabakalar, belirli iyonların ve/veya çözücülerin interkalasyonu üzerine katmanlar arası boşlukları genişleyen veya şişen, gevşek biçimde üst üste istiflenmiş ana katmanlardan oluşan, katmanlı yapıya sahip inorganik malzemelerden (örneğin grafit) üretilir. Katmanlı fazın nanotabakalara ayrıldığı eksfoliasyon, genellikle katmanlar arasındaki elektrostatik çekimlerin hızla zayıflaması nedeniyle oluşan şişmeye eşlik eder; bu süreç, ayrı 2D katmanların veya tabakaların kolloidal dispersiyonlarını oluşturur. (bkz. Geng et al, 2013) Genel olarak şişmenin ultrasonik işlem yoluyla eksfoliasyonu kolaylaştırdığı ve negatif yüklü nanotabakalar oluşturduğu bilinmektedir. Kimyasal ön işlem de çözücülerde sonikasyon yoluyla eksfoliasyonu kolaylaştırır. Örneğin, fonksiyonelleştirme, katmanlı çift hidroksitlerin (LDH’ler) alkollerde eksfoliasyonuna olanak tanır. (bkz. Nicolosi et al., 2013)
Ultrasonik eksfoliasyon / delaminasyon için katmanlı malzeme, bir çözücü içinde güçlü ultrasonik dalgalara maruz bırakılır. Yüksek enerji yoğunluklu ultrason dalgaları bir sıvıya veya bulamaca aktarıldığında, akustik kavitasyon, diğer adıyla ultrasonik kavitasyon meydana gelir. Ultrasonik kavitasyon, vakum kabarcıklarının çökmesiyle karakterize edilir. Ultrason dalgaları sıvı içinde ilerler ve dönüşümlü düşük basınç / yüksek basınç döngüleri oluşturur. Çok küçük vakum kabarcıkları, düşük basınç (seyrelme) döngüsü sırasında ortaya çıkar ve çeşitli düşük basınç / yüksek basınç döngüleri boyunca büyür. Bir kavitasyon kabarcığı daha fazla enerji soğuramayacağı noktaya ulaştığında, şiddetli biçimde içe doğru çöker ve yerel olarak çok yüksek enerji yoğunluklu koşullar oluşturur. Bir kavitasyon sıcak noktası; çok yüksek basınçlar ve sıcaklık, bunlara karşılık gelen basınç ve sıcaklık farkları, yüksek hızlı sıvı jetleri ve kesme kuvvetleriyle tanımlanır. Bu sonomekanik ve sonokimyasal kuvvetler, çözücüyü istiflenmiş katmanların arasına iter ve katmanlı parçacıklı ve kristalin yapıları parçalayarak eksfoliye edilmiş nanotabakalar üretir. Aşağıdaki görüntü dizisi, ultrasonik kavitasyonla gerçekleşen eksfoliasyon sürecini göstermektedir.

Yüksek hızlı kare dizisi (a’dan f’ye): suda bir grafit pulunun 200W gücündeki UP200S sonikatörü ve 3-mm sonotrot ile sonomekanik eksfoliasyonu. Oklar, yarığa nüfuz eden kavitasyon kabarcıklarıyla birlikte ayrılma (eksfoliasyon) yerini göstermektedir.
© Tyurnina et al. 2020 (CC BY-NC-ND 4.0)

Modelleme, çözücünün yüzey enerjisi katmanlı malzemeninkine benzer olduğunda, eksfoliye edilmiş ve yeniden agregasyona uğramış durumlar arasındaki enerji farkının çok küçük olacağını ve yeniden agregasyonun itici kuvvetini ortadan kaldıracağını göstermiştir. Alternatif karıştırma ve kesme yöntemleriyle karşılaştırıldığında, ultrasonik karıştırıcılar eksfoliasyon için daha etkili bir enerji kaynağı sağlamış ve TaS₂, NbS₂, MoS₂ ve katmanlı oksitlerin iyon interkalasyonu destekli eksfoliasyonunun gösterilmesine yol açmıştır. (bkz. Nicolosi et al., 2013)

Ultrasonik olarak sıvı ortamda eksfoliye edilmiş nanotabakaların TEM görüntüleri: (A) N-metil-pirolidon çözücüsünde sonikasyon yoluyla eksfoliye edilmiş bir grafen nanotabakası. (B) İzopropanol çözücüsünde sonikasyon yoluyla eksfoliye edilmiş bir h-BN nanotabakası. (C) Sulu bir yüzey aktif madde çözeltisinde sonikasyon yoluyla eksfoliye edilmiş bir MoS2 nanotabakası.
(Çalışma ve resimler: ©Nicolosi et al., 2013)

Ultrasonik Sıvı Ortam Eksfoliasyonu Protokolleri

Xenes malzemelerinin ve diğer tek katmanlı nanomalzemelerin ultrasonik eksfoliasyonu ve delaminasyonu, araştırmalarda kapsamlı biçimde incelenmiş ve başarıyla endüstriyel üretim aşamasına aktarılmıştır. Aşağıda, sonikasyon kullanılan seçilmiş eksfoliasyon protokollerini sunuyoruz.

Fosforen Nanopullarının Ultrasonik Eksfoliasyonu

Fosforen (siyah fosfor, BP olarak da bilinir), fosfor atomlarından oluşan, 2D katmanlı, tek elementli bir malzemedir.
Passaglia et al. (2018) tarafından yapılan araştırmada, MMA varlığında bP’nin sonikasyon destekli sıvı faz eksfoliasyonu (LPE) ve ardından radikal polimerizasyon yoluyla kararlı fosforen – metil metakrilat süspansiyonlarının hazırlanması gösterilmektedir. Metil metakrilat (MMA) sıvı bir monomerdir.

Fosforenin Ultrasonik Sıvı Ortam Eksfoliasyonu İçin Protokol

MMA_bPn, NVP_bPn ve Sty_bPn süspansiyonları, yalnızca monomer varlığında LPE ile elde edilmiştir. Tipik bir prosedürde, bir havanda dikkatlice ezilmiş ∼5 mg bP bir deney tüpüne konmuş ve ardından tartılmış miktarda MMA, Sty veya NVP eklenmiştir. Monomer–bP süspansiyonu, S26d2 sonotrodu (uç çapı: 2 mm) ile donatılmış bir Hielscher Ultrasonics UP200St homojenizatörü (200W, 26kHz) kullanılarak 90 min boyunca sonikasyona tabi tutulmuştur. Ultrasonik genlik, P = 7 W ile %50’de sabit tutulmuştur. Tüm durumlarda, ısının daha iyi uzaklaştırılması için bir buz banyosu kullanılmıştır. Ardından, elde edilen MMA_bPn, NVP_bPn ve Sty_bPn süspansiyonlarına 15 min boyunca N2 üflenmiştir. Tüm süspansiyonlar DLS ile analiz edilmiş ve DMSO_bPn’nin rH değerine çok yakın rH değerleri göstermiştir. Örneğin, MMA_bPn süspansiyonu (yaklaşık %1 bP içeriğine sahip), rH = 512 ± 58 nm ile karakterize edilmiştir.
Fosforen üzerine yapılan diğer bilimsel çalışmalar ultrasonik temizleyici kullanımıyla birkaç saatlik sonikasyon süreleri, yüksek kaynama noktalı çözücüler ve düşük verimlilik bildirirken, Passaglia’nın araştırma ekibi prob tipi bir sonikatör kullanarak oldukça verimli bir ultrasonik eksfoliasyon protokolü ortaya koymaktadır (yani Hielscher UP200St sonikatör modeli).

Tek Katmanlı Nanotabakaların Ultrasonik Eksfoliasyonu

Borofen ve rutenyum oksit nanotabakalarına ilişkin daha ayrıntılı bilgileri ve eksfoliasyon protokollerini okumak için lütfen aşağıdaki bağlantıları izleyin:
Borofen: Sonikasyon protokolleri ve ultrasonik borofen eksfoliasyonunun sonuçları için lütfen buraya tıklayın!
RuO2: Sonikasyon protokolleri ve rutenyum oksit nanotabakalarının ultrasonik eksfoliasyonunun sonuçları için lütfen buraya tıklayın!

Az Katmanlı Silika Nanotabakalarının Ultrasonik Eksfoliasyonu

Az katmanlı eksfoliye edilmiş silika nanotabakaları, doğal vermikülitten (Verm) ultrasonik eksfoliasyon yoluyla hazırlanmıştır. Eksfoliye edilmiş silika nanotabakalarının sentezi için aşağıdaki sıvı faz eksfoliasyon yöntemi uygulanmıştır: 40 mg silika nanotabakası, 40 mL mutlak etanol içinde disperse edilmiştir. Ardından karışım, 7 mm sonotrot ile donatılmış bir Hielscher UP200St ultrasonik işlemcisi kullanılarak 2 h boyunca ultrasonik işleme tabi tutulmuştur. Ultrason dalgasının genliği %70’te sabit tutulmuştur. Aşırı ısınmayı önlemek için buz banyosu uygulanmıştır. Eksfoliye edilmemiş SN, 1000 rpm’de 10 min boyunca santrifüjleme ile uzaklaştırılmıştır. Son olarak ürün dekante edilmiş ve oda sıcaklığında vakum altında gece boyunca kurutulmuştur. (bkz. Guo et al., 2022)

Xenes Nanotabakalarının Eksfoliasyonu İçin Yüksek Güçlü Ultrason Probları ve Reaktörleri

Hielscher Ultrasonics, her boyutta sağlam ve güvenilir sonikatörler tasarlar, üretir ve dağıtır. Kompakt laboratuvar tipi ultrasonik cihazlardan endüstriyel ultrasonik problara ve reaktörlere kadar Hielscher, prosesiniz için ideal ultrasonik sisteme sahiptir. Nanomalzeme sentezi ve dispersiyonu gibi uygulamalardaki uzun yıllara dayanan deneyimiyle, iyi eğitimli personelimiz gereksinimleriniz için en uygun düzeneği önerecektir. Hielscher endüstriyel ultrasonik işlemcileri, endüstriyel tesislerde güvenilir ve dayanıklı çalışma cihazları olarak bilinir. Çok yüksek genlikler sağlayabilen Hielscher sonikatörleri, xenes malzemelerinin ve borofen, fosforen veya grafen gibi diğer 2D tek katmanlı nanomalzemelerin sentezi gibi yüksek performanslı uygulamaların yanı sıra bu nanoyapıların güvenilir biçimde disperse edilmesi için de idealdir.
Olağanüstü güçlü ultrason: Hielscher Ultrasonics endüstriyel ultrasonik işlemcileri çok yüksek genlikler sağlayabilir. 200µm’ye kadar olan genliklerde, 24/7 çalışma koşullarında kesintisiz işletim kolaylıkla gerçekleştirilebilir. Daha da yüksek genlikler için özel olarak uyarlanmış ultrasonik sonotrotlar mevcuttur.
En Yüksek Kalite – Almanya’da Tasarlanmış ve Üretilmiştir: Tüm ekipmanlar, Almanya’daki merkezimizde tasarlanır ve üretilir. Müşteriye teslim edilmeden önce her ultrasonik cihaz, tam yük altında dikkatle test edilir. Müşteri memnuniyeti için çaba gösteriyoruz ve üretimimiz, en yüksek kalite güvencesini (örneğin ISO sertifikasyonu) karşılayacak şekilde yapılandırılmıştır.

Aşağıdaki tablo, sonikatörlerimizin yaklaşık işleme kapasitesi hakkında bir fikir vermektedir: