إن معدات تفريق الجرافين بالموجات فوق الصوتية هي طريقة موثوقة لإنتاج طبقات الجرافين من رقائق أو جزيئات الجرافيت

وصف المنتج

تشتت الموجات فوق الصوتية هو طريقة موثوقة لإنتاج طبقات الجرافين من رقائق أو جزيئات الجرافيت. تتعرض تقنيات التشتت الشائعة الأخرى، مثل المطاحن الكروية والمطاحن الأسطوانية أو المزج ذات القص العالي، لاستخدام مواد كيميائية عدوانية ومذيبات. يمكن لتكنولوجيا التشتت بالموجات فوق الصوتية أن تتجاوز هذه المشكلة وتنتج مواد الجرافين بكفاءة

تفاصيل المنتج

معدات تشتت الجرافين فوق الصوتية
وقد تم تطوير عدة طرق لتحضير الجرافيت بسبب خصائصه الخاصة المعروفة. ويتم تحضير الجرافين من أكسيد الجرافين عن طريق عمليات كيميائية معقدة، تتضمن إضافة عوامل مؤكسدة ومضادة قوية جداً. والجرافين المنتج في ظل هذه الظروف الكيميائية القاسية يحتوي غالباً على عدد كبير من العيوب.
الموجات فوق الصوتية تعتبر طريقة بديلة مثبتة لإنتاج كميات كبيرة من الجرافين عالي الجودة. يتم إضافة الجرافيت إلى خليط من الحمض العضوي المخفف والكحول والماء، ثم يخضع هذا الخليط لأشعة فوق صوتية. يعمل الحمض كـ'مخالب جزيئية' لفصل صفائح الجرافين عن الجرافيت الأصلي. وبهذا الإجراء البسيط، يمكن إنتاج كميات كبيرة من الجرافين عالي الجودة غير المُوزّع والموجود بشكل معلق في الماء. د.

مقدمة عن الجرافين

رسم تخطيطي لهيكل الجرافين الجزيئي

يُعد الجرافين مادة نانوية كربونية ثنائية الأبعاد تتكون من ذرات كربون مرتبة في شبكة سداسية الشكل تشبه هيكل العسل من خلال مدارات هجينة من نوع sp². تشكل طبقات الجرافين الرقيقة من ذرات الكربون مادة الجرافيت من خلال تفاعلات غير تساهمية، وتتميز بمساحة سطح هائلة.
إنه أرق مادة في الكون وأقوى مادة تم تسجيلها على الإطلاق. ويتميز بقدرة عالية على حركة الحاملات الداخلية مع كتلة فعالة ضئيلة (صفر)، ويمكنه الانتشار لمسافات تصل إلى ميكرومترات في درجة حرارة الغرفة دون أن يتشتت. كما يمكن للجرافين تحمل كثافة تيار كهربائي أعلى بمقدار ستة مرات من الترتيب الأعلى للنحاس، وهو يتمتع بموصلية حرارية وصلابة قياسية، كما أنه غير منفذ ويجمع بين خصائص متعارضة مثل الهشاشة وال ductility. ويتم وصف حركة الإلكترونات في الجرافين باستخدام معادلات شبيهة بمعادلات ديراك، مما يسمح بدراسة الظواهر الكمومية النسبية في تجارب معملية بسيطة.

مبدأ تشتت الجرافين فوق الصوتي
تستخدم معدات تفريق الجرافين بالموجات فوق الصوتية تأثير التجويف للصوت لتفريق الجسيمات المتكتلة. ويشمل ذلك وضع المعلق الجسيمي المطلوب (سائل) في مجال فوق صوتي قوي وتعريضه لسعة موجات فوق صوتية مناسبة. تحت تأثيرات إضافية مثل التجويف، الحرارة العالية، الضغط العالي، والتدفق الدقيق والاهتزاز القوي، تزداد المسافة بين الجزيئات باستمرار، مما يؤدي إلى انفصال الجزيئات وتشكيل هياكل جزيئية فردية. تكون هذه المنتجات فعالة بشكل خاص في تفريق المواد النانوية (مثل أنابيب الكربون النانوية، الجرافين، السيليكا، وغيرها).

الغرض من تفريق الجرافين
في الطبيعة، توجد مواد غرافيت وفيرة. تحتوي قطعة من ورقة الجرافيت بسماكة 1 ملليمتر على حوالي 3 مليون طبقة من مادة الجرافين. تُسمى الطبقة الواحدة من الجرافيت بالجرافين، ولا توجد هذه الطبقة بشكل مستقل في حالتها الحرة، بل توجد دائمًا على شكل رقائق جرافيت تتكون من عدة طبقات من الجرافين مرتبة فوق بعضها البعض. و Debido إلى القوى الضعيفة بين طبقات الجرافيت، يمكن تقسيمها طبقة بطبقة تحت تأثير قوة خارجية، وبالتالي الحصول على جرافين أحادي الطبقة بسمك ذرة كربون واحدة.

الأساليب الشائعة لنشر المواد
--طريقة التقشير الميكانيكي الصغيرة: قم بتجريد رقائق الجرافين مباشرة من البلورات الأكبر باستخدام شريط لاصق، مع تكرار هذه العملية باستمرار. من خلال فرك مادة ضد الجرافيت الحراري المتسع أو الذي تم إدخال عيوب فيه، تتشكل بلورات رقائقية تحتوي على جرافين طبقة واحدة على سطح الجرافيت الكتلي.
العيوب: انخفاض إنتاج الجرافين، مساحة صغيرة، صعوبة التحكم بدقة في الحجم، انخفاض الكفاءة، غير مناسبة للإنتاج على نطاق واسع.

-- التراكم الكيميائي للبخار: يتضمن إدخال مادة غازية واحدة أو أكثر تحتوي على الكربون (عادة غازات عضوية منخفضة الكربون) إلى مفاعل فراغ، حيث تسبب درجات الحرارة العالية في تحلل الغازات التي تحتوي على الكربون وتكرب تؤدي هذه العملية إلى نمو كربون ألوتروب على سطح الروك.
العيوب: يمنع التركيب الكريستالي للجرافين من أن يكون مكتوبًا بالكامل ، مما يؤدي إلى جودة أقل مقارنةً بأساليب التجفيف الميكروميكانيكية. تكاليف عالية ومتطلبات صارمة للمعدات تحد من إنتاجها الكبير للكرافين. بالإضافة إلى ذلك، فإن الحاجة إلى المحفزات تقلل من نقاء الجرافين.

--طريقة النمو الطبقي لرسم الجرافين على البلورات: تتضمن إحدى الطرق تسخين بلورة واحدة من مادة 6H-SiC لإزالة السيليكون، مما يسمح للجرافين بالنمو الطبقي على سطح بلورة SiC. يتصل طبقة الجرافين بالطبقة السيليكونية، ويتأثر توصيلها بخصائص الركيزة. أما الطريقة الأخرى فتستخدم مكونات كربونية ضئيلة داخل بلورات معدنية واحدة، حيث يؤدي التلدين عند درجات حرارة عالية ضمن فراغ عالي جداً إلى ترسيب العناصر الكربونية الموجودة داخل البلورة المعدنية الواحدة كجرافين على سطحها.

السلبيات: تكون سماكة فيلم الجرافين غير متساوية وصعبة التحكم. الجرافين الناتج يلتصق بشكل محكم بالركيزة، مما يجعل من الصعب فصله عنها، ويمكن أن يؤثر ذلك على خصائص الجرافين. بالإضافة إلى ذلك، يتطلب هذا النمو وجود فراغ عالي جداً ودرجات حرارة مرتفعة، ما يخلق ظروفاً صارمة للغاية تحتاج إلى معدات متقدمة، مما يجعل الإنتاج الكبير الحجم والقابل للتحكم من الجرافين أمراً غير عملي.

--طريقة الأكسدة والاختزال للجرافيت: ت involve معالجة الجرافيت بالأحماض القوية. هناك ثلاث طرق رئيسية لتحضير أكسيد الجرافين: طريقة برودي، وطريقة شتوادينماير، وطريقة همرز. في طريقة همرز، يُحتاج إلى دعم بالموجات فوق الصوتية لنشر الجرافين.

تحضير الجرافين باستخدام الموجات فوق الصوتية
عندما تُطبَّق الموجات فوق الصوتية عالية الشدة على سائل، فإن الموجات الصوتية المنقولة إلى الوسط السائل تُسبِّب دورات متعاقبة من الضغط المرتفع (انضغاط) والضغط المنخفض (تخفيف)، ويعتمد معدل هذه الدورات على التردد فوق الصوتي. خلال دورة الضغط المنخفض، يولِّد الصوت عالي الشدة فقاعات هواء صغيرة أو فراغات داخل السائل. عندما تصل هذه الفقاعات إلى حجم معين يمنعها من امتصاص مزيدٍ من الطاقة، فإنها تنفجر بعنف خلال دورة الضغط العالي. ويُعرف هذا الظاهرة باسم التكهف. أثناء الانفجار، تُسجَّل درجات حرارة محلية عالية جداً (حوالي 5000 كلفن) وضغوط مرتفعة (حوالي 2000 ضغط جوي). كما يؤدي انفجار فقاعات التكهف أيضاً إلى سرعة تيارات سائلة تصل إلى 280 متراً في الثانية. يمكن تطبيق التغييرات الفيزيائية والكيميائية الناتجة عن تكهف الموجات فوق الصوتية في تحضير الجرافين.

التفريق والتجميع بواسطة الموجات فوق الصوتية

توفر الكيمياء الصوتية الناتجة عن التكهف تفاعلاً فريداً بين الطاقة والمادة. تصل درجات الحرارة داخل الفقاعات إلى نحو 5000 كلفن وضغوط تبلغ حوالي 1000 بار، مع معدلات تسخين وتبريد تتجاوز 10^10 كلفن/ثانية. تتيح هذه الظروف الخاصة الوصول إلى نطاق واسع من مساحات التفاعل الكيميائي التي يصعب الوصول إليها عادة، مما يمكّن من تصنيع مختلف مواد النانو ذات البنية غير المعتادة.

التجليد المباشر للجرافين
تتميز جودة الجرافين المحضر بطريقة التفتيت فوق الصوتي المباشر بأنها أعلى بشكل ملحوظ من تلك التي يتم الحصول عليها باستخدام طريقة هامر. يمكن استخدام التفتيت فوق الصوتي لإنتاج الجرافين في المذيبات العضوية أو محلول المواد السطحية/الماء، أو في السوائل الأيونية. هذا يعني أنه لا توجد حاجة إلى مواد مؤكسدة أو مختزلة قوية؛ إذ يمكن إنتاج الجرافين عن طريق التفتيت تحت ظروف فوق صوتية. تُظهر صور المجهر القوي الذري (AFM) لمحلول بتركيز 1 مليغرام/مل من أكسيد الجرافين وجود صفائح رقيقة بشكل موحد (بسمك 1 نانومتر) موجودة دائمًا. ولا توجد في هذه العينات المستوفزة جيدًا من أكسيد الجرافين أي شظايا جرافينية سميكة أكثر من 1 نانومتر أو أدق من 1 نانومتر. لذلك يمكن الاستنتاج بأنه تحت هذه الظروف، تم تحقيق التفتيت الكامل لأكسيد الجرافين إلى صفائح أكسيد جرافين فردية.

صورة المجهر القوي الذري (AFM) في الوضع غير المتصل

يمكن استخدام معدات التشتت فوق الصوتية في تفريق وتجانس المواد مثل الجرافين، طلاءات الحبر؛ إنتاج مستحلبات للنفط؛ واستخلاص المكونات الفعالة من الطب الصيني التقليدي؛ وتدمير الخلايا ومياه التوازن، ومعالجة التفتيت؛ وتسريع التفاعلات الكيميائية للمواد الخام، وغيرها.

مواصفات المنتج هي كما يلي: