Ce este dispersia ultrasonică a grafenului?

Ce este dispersia ultrasonică a grafenului?

Dispersia de grafen cu ultrasunete utilizează efectul de cavitație generat de ultrasunete într-un lichid pentru a sparge forțele van der Waals dintre foile de grafen, dispersându-le astfel uniform și stabil într-un solvent.

Principiul de bază : Efectul de cavitație uimitor

Implozia violentă a bulelor: atunci când ultrasunetele de mare intensitate se propagă într-un lichid, generează cicluri de presiune înaltă și joasă alternativă. În faza de joasă presiune, în lichid se formează numeroase bule mici de vid (bule de cavitație). Cu intrare continuă de energie sonoră, aceste bule cresc până când izbucnesc violent și implodează în timpul fazei de înaltă presiune.

Eliberare extremă și mică de energie: ruperea fiecărei bule de cavitație este un moment de energie foarte concentrată. Acest proces generează condiții extreme la scară microscopică:

Temperaturile ridicate locale instantanee pot atinge peste 1000°C.

Presiunile mari locale instantanee pot ajunge la 500 atm (aproximativ 50 MPa).

Acesta generează microjet cu viteze de până la 1000 km/h și unde de șoc puternice.

Distrugerea agregării grafenului: forțele Van der Waals există în mod natural între foile de grafen, ceea ce le face extrem de predispuse la agregare. Dispersia cu ultrasunete utilizează forța mecanică puternică generată de efectul de cavitație menționat mai sus pentru a „agita” particulele de grafen agregate, a depăși forțele van der Waals și a le redispersa în monostraturi independente.

Avantajele dispersiei cu ultrasunete

Înaltă calitate și eficiență: Ca metodă de exfoliere fizică, dispersia cu ultrasunete evită acizii și oxidanții puternici utilizați în metodele redox tradiționale, protejând mai bine structura rețelei originale și conductivitate intrinsecă excelentă a grafenului.

Controlabilitate ridicată: prin ajustarea precisă a parametrilor cum ar fi puterea ultrasonică, frecvența, timpul și temperatura, efectul de dispersie poate fi controlat cu precizie pentru a se adapta nevoilor diferitelor scenarii.

Ecologic și ecologic: întregul proces de dispersie nu necesită sau doar o cantitate mică de reactivi chimici, ceea ce îl face o tehnologie prietenoasă cu mediul.

Parametri cheie ai procesului

Putere ultrasonică: puterea determină direct intensitatea efectului de cavitație. Creșterea puterii într-un anumit interval poate îmbunătăți efectul de dispersie, dar dacă puterea este prea mare, poate deteriora foile de grafen în timp ce le exfoliați. În operațiunile de laborator, se recomandă adesea creșterea treptată a puterii de la 30% la 60% pentru a observa efectul.

Timp cu ultrasunete: Extinderea timpului cu ultrasunete este benefică pentru exfolierea completă și dispersia grafenului. Cu toate acestea, timpii de procesare excesiv de lungi pot introduce, de asemenea, defecte de margine și chiar pot provoca daune structurale mai grave. Un studiu a indicat că la o putere de 960 W, ultrasonicarea timp de 4 ore a obținut un efect de dispersie bun. Frecvență ultrasonică: Dispersia grafenului utilizează de obicei echipamente ultrasonice industriale sau de laborator cu frecvențe în intervalul 19-26 kHz.

Controlul temperaturii: Cavitația generează căldură, iar temperaturile excesiv de ridicate pot afecta dispersia și chiar pot deteriora solvenții sau aditivii sensibili la căldură. Prin urmare, un sistem de răcire este adesea necesar în practică pentru a controla temperatura probei într-un interval adecvat.

Domenii principale de aplicare: Tehnologia de dispersie cu ultrasunete a grafenului are aplicații importante în mai multe domenii de ultimă oră.

Știința materialelor: Folosit pentru a prepara materiale compozite cu grafen de înaltă performanță. De exemplu, dispersarea uniformă a grafenului în matrice polimerică, cum ar fi cauciucul și materialele plastice, poate îmbunătăți semnificativ conductivitatea electrică, conductibilitatea termică și proprietățile mecanice ale materialelor.

Energie: În dispozitivele de stocare a energiei, cum ar fi bateriile litiu-ion și supercondensatoarele, grafenul dispersat uniform poate servi ca aditiv conductiv, construind o rețea conductivă foarte eficientă, îmbunătățind astfel viteza de încărcare/descărcare a bateriei și durata de viață a ciclului.

Biomedicină: Folosit pentru a prepara purtători de medicamente pe bază de grafen. Tehnologia de dispersie cu ultrasunete poate realiza o încărcare eficientă a medicamentului și o eliberare controlată. În plus, ultrasunetele în sine sunt adesea folosite pentru distrugerea celulelor pentru a extrage biomolecule intracelulare, cum ar fi proteinele și ADN-ul.

Știința mediului: efectul de cavitație generat de ultrasunete poate nu numai să disperseze materialele, dar temperatura și presiunea ridicată generate în timpul perturbării acesteia pot, de asemenea, descompune direct poluanții organici din apă. Prin urmare, arată, de asemenea, potențial în domeniile guvernării mediului, cum ar fi tratarea apelor uzate și remedierea solului.

Tehnologia de dispersie ultrasonică a grafenului este o tehnologie cheie care este eficientă, controlabilă și relativ ecologică. Prin interacțiuni fizice puternice la microscală, rezolvă cu succes problema principală a tendinței grafenului de a se agrega. Deși rămân provocări precum producția la scară largă, este, fără îndoială, o forță semnificativă care conduce grafenul din laborator către aplicații mai largi.