L'equipaggiamento per la dispersione ultrasonica del grafene è un metodo affidabile per produrre strati di grafene da scaglie o particelle di grafite

Descrizione del Prodotto

La dispersione ultrasonica è un metodo affidabile per produrre strati di grafene da scaglie o particelle di grafite. Altre tecniche comuni di dispersione, come mulini a palle, mulini a rullo o miscelatori ad alta azione tagliante, sono soggette all'utilizzo di reagenti e solventi aggressivi. La tecnologia di dispersione ultrasonica può superare efficacemente questo problema e preparare in modo efficiente materiali a base di grafene.

Dettagli del prodotto

attrezzatura per la dispersione del grafene ad ultrasuoni
A causa delle note proprietà speciali del grafite, sono stati sviluppati diversi metodi per la sua preparazione. Il grafene viene prodotto dall'ossido di grafene attraverso complessi processi chimici, che prevedono l'aggiunta di agenti ossidanti e riducenti molto forti. Il grafene prodotto in queste condizioni chimiche estreme contiene spesso un elevato numero di difetti.
Le onde ultrasoniche rappresentano un metodo alternativo validato per produrre grandi quantità di grafene di alta qualità. La grafite viene aggiunta a una miscela di acido organico diluito, alcol e acqua, cui successivamente viene esposta a radiazione ultrasonica. L'acido agisce come una 'cuneo molecolare' per separare i fogli di grafene dalla grafite originale. Attraverso questo semplice processo, si ottengono grandi quantità di grafene di alta qualità, non disperso e distribuito in acqua d.

Introduzione al Grafene

Diagramma della struttura molecolare del grafene

Il grafene è un nanomateriale bidimensionale a base di carbonio, composto da atomi di carbonio disposti in un reticolo esagonale simile a una struttura alveare, grazie a orbitali ibridi sp². Gli strati sottili di atomi di carbonio del grafene formano grafite attraverso interazioni non covalenti e possiedono un'enorme area superficiale.
È il materiale più sottile dell'universo ed anche il materiale più forte mai registrato. Presenta un'elevata mobilità intrinseca dei portatori con massa efficace minima (zero) e può propagarsi per distanze nell'ordine del micrometro a temperatura ambiente senza subire scattering. Il grafene può sopportare densità di corrente sei ordini di grandezza superiori a quelle del rame, mostrando una conducibilità termica e una durezza record, è impermeabile e riesce a conciliare proprietà contrastanti come fragilità e duttilità. Il trasporto degli elettroni nel grafene è descritto da equazioni simili a quelle di Dirac, che permettono lo studio di fenomeni quantistici relativistici in esperimenti condotti su un bancone.

Il principio della dispersione ultrasonica del grafene
L'attrezzatura per la dispersione del grafene ad ultrasuoni utilizza l'effetto di cavitazione degli ultrasuoni per disperdere le particelle agglomerate. Il processo prevede il posizionamento della sospensione di particelle desiderata (liquida) in un campo ultrasonico intenso e il trattamento con un'adeguata ampiezza degli ultrasuoni. Sotto l'azione combinata di fenomeni come la cavitazione, l'alta temperatura, l'alta pressione, i microflussi e le forti vibrazioni, la distanza tra le molecole aumenta continuamente, portando infine alla rottura delle molecole e alla formazione di strutture monomolecolari. Questo prodotto è particolarmente efficace nella dispersione di nanomateriali (come nanotubi di carbonio, grafene, silice, ecc.).

Finalità della dispersione del grafene
In natura esistono abbondanti materiali grafitici. Un foglio di grafite spesso 1 millimetro contiene circa 3 milioni di strati di grafene. Un singolo strato di grafite è chiamato grafene, che non esiste autonomamente in stato libero, ma è sempre presente sotto forma di scaglie di grafite composte da più strati di grafene sovrapposti. A causa delle deboli forze interlamellari tra i fogli di grafite, questi possono essere separati strato per strato sotto l'azione di una forza esterna, ottenendo così grafene monolayer con uno spessore pari a un solo atomo di carbonio.

Metodi comuni di dispersione
--Metodo di esfoliazione micromeccanica: Rimuovere direttamente le scaglie di grafene dai cristalli più grandi utilizzando del nastro adesivo, ripetendo continuamente questo processo. Strofinando un materiale contro grafite pirolitica espansa termicamente o con difetti introdotti, si formano cristalli lamellari contenenti grafene monolayer sulla superficie della grafite massiccia.
Svantaggi: Basso rendimento di grafene, area ridotta, difficile da controllare con precisione le dimensioni, bassa efficienza, non adatto alla produzione su larga scala.

--Deposizione chimica da vapore: prevede l'introduzione di una o più sostanze gassose contenenti carbonio (generalmente gas organici a basso contenuto di carbonio) in un reattore sotto vuoto, dove temperature elevate provocano la decomposizione e la carbonizzazione del gas contenente carbonio (tipicamente gas organici a basso contenuto di carbonio). Questo processo porta alla crescita di un allotropo del carbonio sulla superficie del substrato.
Svantaggi: La struttura cristallina esagonale a nido d'ape del grafene ne impedisce la completa grafitizzazione, causando una qualità inferiore rispetto ai metodi di esfoliazione micromeccanica. I costi elevati e i requisiti rigorosi per l'attrezzatura limitano la produzione su larga scala del grafene. Inoltre, la necessità di catalizzatori riduce la purezza del grafene.

--Metodo di crescita epitassiale del grafene su cristalli: Un approccio prevede il riscaldamento di un cristallo singolo di 6H-SiC per rimuovere il silicio, permettendo al grafene di crescere epitassialmente sulla superficie del cristallo di SiC. Lo strato di grafene entra in contatto con lo strato di silicio e la sua conducibilità è influenzata dal substrato. Un altro approccio utilizza tracce di componenti carboniosi nei cristalli metallici singoli, dove un ricottura ad alta temperatura sotto vuoto ultra alto fa sì che gli elementi di carbonio presenti nel cristallo metallico precipitino come grafene sulla sua superficie.

Svantaggi: Lo spessore del film di grafene è irregolare e difficile da controllare. Il grafene risultante aderisce strettamente al substrato, rendendo difficile il suo distacco, il che può influenzarne le proprietà. Inoltre, la crescita richiede condizioni di vuoto ultra alto e alte temperature, creando condizioni estremamente rigorose che richiedono attrezzature sofisticate, rendendo non fattibile la produzione su larga scala e controllabile del grafene.

--Metodo di ossidoriduzione per la grafite: l'ossidazione della grafite per produrre ossido di grafene prevede generalmente il trattamento della grafite con acidi forti. Esistono principalmente tre metodi per preparare l'ossido di grafene: il metodo Brodie, il metodo Staudenmaier e il metodo Hummers. Nel metodo Hummers, è necessaria l'assistenza ultrasonica per disperdere il grafene.

Preparazione ultrasonica del grafene
Quando un'ultrasuono ad alta intensità viene applicato a un liquido, le onde sonore trasmesse nel mezzo liquido provocano cicli alternati di alta pressione (compressione) e bassa pressione (rarefazione), la cui frequenza dipende da quella ultrasonica. Durante il ciclo di bassa pressione, l'ultrasuono ad alta intensità genera piccole bolle di vuoto o cavità all'interno del liquido. Quando queste bolle raggiungono una dimensione tale per cui non possono più assorbire energia, collassano violentemente durante il ciclo di alta pressione. Questo fenomeno è noto come cavitazione. Durante l'implosione, si raggiungono temperature locali estremamente elevate (circa 5.000 K) e pressioni (circa 2.000 atm). L'implosione delle bolle di cavitazione genera inoltre velocità dei getti liquidi fino a 280 m/s. I cambiamenti fisici e chimici indotti dalla cavitazione ultrasonica possono essere applicati alla preparazione del grafene.

Dispersione e deaggregazione ultrasoniche

La sonochemica indotta da cavitazione permette interazioni uniche tra energia e materia. Le zone calde all'interno delle bolle raggiungono temperature di circa 5000 K e pressioni intorno a 1000 bar, con velocità di riscaldamento e raffreddamento superiori a 10^10 K/s. Queste condizioni particolari consentono l'accesso a una gamma di spazi reattivi chimici generalmente inaccessibili, permettendo la sintesi di vari materiali nanostrutturati insoliti.

Esfoliazione diretta del grafene
La qualità del grafene preparato mediante esfoliazione ultrasonica diretta è significativamente superiore rispetto a quella ottenuta utilizzando il metodo di Hummer. L'ultrasuonazione può essere utilizzata per preparare il grafene in solventi organici, soluzioni di tensioattivo/acqua o liquidi ionici. Questo significa che non sono necessari ossidanti o riducenti forti; il grafene può essere prodotto mediante esfoliazione in condizioni ultrasoniche. Le immagini AFM di una soluzione con concentrazione di 1 mg/ml di ossido di grafene mostrano sempre fogli sottili uniformi (1 nm). Non ci sono frammenti di grafene più spessi di 1 nm o più sottili di 1 nm in questi campioni ben esfoliati di ossido di grafene. Si può quindi concludere che, in queste condizioni, è stata raggiunta un'esfoliazione completa dell'ossido di grafene in singoli strati di ossido di grafene.

Immagine AFM in modalità non a contatto

L'attrezzatura per la dispersione ultrasonica può essere utilizzata per disperdere e omogeneizzare materiali come il grafene, i rivestimenti d'inchiostro; emulsionare petrolio; estrarre ingredienti attivi dalla medicina tradizionale cinese; disgregare cellule e acque di zavorra, trattamento di disinfezione; accelerare le reazioni chimiche delle materie prime, ecc.

Le specifiche del prodotto sono le seguenti: