Synteza nanofluidów grafenowych z kontrolowanym rozkładem wielkości płatków
17 lipca 2019
Przedstawiono metodę syntezy nanofluidów grafenowych o kontrolowanym rozkładzie wielkości płatków.
Proponowana metoda wykorzystuje proces eksfoliacji i proces wirowania w celu oddzielnej kontroli dolnych i górnych granic rozkładów wielkości otrzymanej zawiesiny grafinianowej. Główną zaletą proponowanej metody jest to, że ostateczny rozkład wielkości można kontrolować poprzez dostosowanie parametrów procesu etapu eksfoliacji i etapu wirowania. W suchej, czystej kolbie z płaskim dnem dodaj 20 gramów PVA, a następnie dodaj 1000 mililitrów wody destylowanej.
Delikatnie obracać kolbą, aż PVA całkowicie się rozpuści. Następnie dodać 50 gramów proszku grafitowego do kolby z płaskim dnem i delikatnie obracać kolbą, aż proszek grafitowy całkowicie rozproszy się w zawiesinie. Przenieś 500 mililitrów powstałej zawiesiny do 500-mililitrowej zlewki.
Umieść zlewkę pod mieszalnikiem ścinającym, umieszczając zlewkę w pobliżu środka naczynia do mieszania, aby zapobiec tworzeniu się wiru. Opuść głowicę mieszającą do najniższej pozycji, 30 milimetrów od płaszczyzny podstawy. Następnie przygotuj łaźnię wodną, napełniając zlewkę o pojemności 5000 mililitrów wodą o temperaturze pokojowej i umieść 500-mililitrową zlewkę w kąpieli.
Uruchom mikser i stopniowo zwiększaj prędkość do 4 500 obr./min. Mieszaj z tą prędkością przez 120 minut. Zmieniaj wodę co 30 minut.
Wykonaj ten krok złuszczania jeszcze pięć razy w różnym czasie trwania. Czas mieszania określa dolną boczną granicę wielkości nanopłatków grafenu. Zbierz 500-mililitrowe zawiesiny wygenerowane po każdym etapie złuszczania.
Oznaczyć każdą zawiesinę czasem wydalania i odwirować zebraną zawiesinę w ilości 140 razy g przez 45 minut. Aby usunąć niezłuszczony grafit, użyj pipety, aby zebrać górne 80% supernatantu z każdej probówki wirówkowej do dalszego wirowania. Odwirować zawiesinę sklarowanej nad osadem z ostatniego etapu wirowania przy 8,951 razy g przez 45 minut.
Zebrać górne 50% supernatantu w probówce wirówkowej i oznaczyć próbkę liczbą. Następnie, aby poddać recyklingowi osad na dnie probówki wirówkowej, dodaj 50 mililitrów wcześniej przygotowanego odczynnika wodnego PVA do osadu i energicznie potrząsaj probówką ręcznie, aż osad zostanie dobrze zdyspergowany w zawiesinie. Odwirować zawiesinę o stężeniu 8 951 razy g przez 45 minut.
Zbierz górne 80% do dalszych pomiarów. Powtórz etap wirowania dla osadu jeszcze cztery razy z czterema różnymi prędkościami wirowania. Prędkość wirowania określa górną boczną granicę wielkości nanopłatków grafenu.
Teraz przygotuj spektroskopię w ultrafiolecie widzialnym. Z wcześniej przygotowanym roztworem wodnym PVA w suchej, czystej celi na próbkę, skalibrować spektrometr ultrafioletowy w świetle widzialnym, ustawiając stężenie wody PVA na 0%Następnie dodać resuspension wody PVA po odwirowaniu do suchej, czystej celi próbnej o długości drogi 10 milimetrów i uzyskać odczyt za pomocą oprogramowania producenta. Kliknij przycisk Pobierz, aby wyświetlić wykres wyników pomiarów i zapisać wyniki.
Następnie, aby określić masę grafenu, przefiltruj próżniowo zawiesinę próbki za pomocą nylonowej membrany o wielkości porów 0,2 mikrona. Uzyskać folię membranową i przemyć około 200 mililitrami wody do zlewki. Powtórz pranie trzy razy, aż wszystkie ciała stałe zostaną zmyte z membrany.
Określ masę przemytej wody za pomocą precyzyjnej mikrowagi, aby uzyskać masę ciał stałych. Ponownie przefiltruj próżniowo zawiesiny wodne za pomocą nylonowej membrany o wielkości porów 0,2 mikrona. Zdobądź membranę i susz ją w temperaturze pokojowej przez ponad 12 godzin.
Następnie spłucz folię 200 mililitrami dejonizowanej wody do zlewki. Jeśli pożądane stężenie jest mniejsze niż szybkość produkcji przy jednym miligramie na mililitr, dodaj przygotowany roztwór wodny PVA, aby uzyskać pożądane stężenie. Jeśli pożądane stężenie jest wyższe niż 1%, wysuszyć dejonizowaną wodę pod próżnią w suszarce przez 24 godziny, aby uzyskać nanoarkusze grafenu.
W tym protokole pomiar w ultrafiolecie widzialnym różnych rozkładów wielkości płatków pokazuje pik absorbancji widma uzyskany przy długości fali 270 nanometrów, co wskazuje na dowody na istnienie płatków grafenu. Zawiesina o różnym stężeniu ma różną absorpcję 660 nanometrów. Pasmo D i pasmo 2D spektroskopii Ramana określa grubość płatków nanopłatków grafenu.
Pasmo D widma Ramana, które jest związane z atomami węgla grafenu sp3, rozróżnia grafit początkowy i nanopłatki grafenu. Niska intensywność pasma D wskazuje na wolne od wad nanoarkusze grafenu. Zaobserwowano charakterystyczny rozkład wielkości otrzymanej zawiesiny, przygotowanej przy użyciu różnych prędkości wirowania.
Zarówno transmisyjna mikroskopia elektronowa, jak i skaningowa mikroskopia elektronowa pokazują, że grafen został wyprodukowany, a eksfoliacja zakończyła się sukcesem. Jednak etap wirowania działał tylko na nanocząstkach o średniej średnicy większej niż 1000 nanometrów. Należy z góry określić zależność między górnymi granicami rozkładu wielkości a prędkością wirowania.
Ponieważ rozmiar nie ma wpływu na proponowaną metodę, możliwe jest manipulowanie wydajnością wymiany ciepła w warunkach, takich jak niektóre aplikacje łączności, konwekcji i transferu w centrum. Polimer PVA jest szkodliwy dla człowieka. W celu ochrony operatora należy używać maski na twarz i rękawiczek.
Wyświetl pełny transkrypt i uzyskaj dostęp do tysięcy filmów naukowych
Przegląd
Ten artykuł przedstawia metodę syntezy nanofluidów grafenowych o kontrolowanych rozkładach wielkości płatków. Metoda wykorzystuje procesy eksfoliacji i wirowania w celu osiągnięcia pożądanych rozkładów wielkości.
Kluczowe elementy badania
Dziedzina nauki
- Nanotechnologia
- Nauka o materiałach
- Badania nad grafenem
Tło
- Nanofluidy grafenowe mają unikalne właściwości przydatne w różnych zastosowaniach.
- Kontrola rozkładu wielkości płatków jest kluczowa dla optymalizacji tych właściwości.
- Tradycyjne metody mogą nie zapewniać pożądanej kontroli nad rozkładami wielkości.
- Zaproponowana metoda ma na celu rozwiązanie tej ograniczenia.
Cel badania
- Opracowanie metody syntezy nanofluidów grafenowych.
- Możliwość kontrolowania rozkładów wielkości płatków.
- Poprawa przydatności grafenu w różnych dziedzinach.
Stosowane metody
- Proces eksfoliacji do dyfuzji grafenu w roztworze.
- Wirowanie do separacji i kontroli rozkładów wielkości.
- Przygotowanie roztworu poliwinyloalkoholu (PVA) jako medium.
- Mieszanie proszku grafenowego z roztworem PVA dla jednolitej dyfuzji.
Główne wyniki
- Metoda z powodzeniem produkuje nanofluidy grafenowe o kontrolowanych wielkościach płatków.
- Rozkład wielkości można dostosować poprzez zmianę parametrów procesu.
- Wynikiem są nanofluidy o zwiększonej stabilności i wydajności.
- Potencjalne zastosowania w elektronice, magazynowaniu energii i kompozytach.
Wnioski
- Zaproponowana metoda zapewnia niezawodny sposób syntezy nanofluidów grafenowych.
- Kontrola nad rozkładami wielkości płatków jest znaczącą zaletą.
- To badanie otwiera możliwości dalszych zastosowań materiałów grafenowych.
Często zadawane pytania
Executive Industry Relevance
Controllable synthesis of graphene nanofluids with defined flake size distributions enables precise tuning of material properties for advanced R&D applications. This capability supports the development of standardized nanomaterial inputs for screening, assay development, and translational research. Reliable control over nanoparticle size distribution reduces mechanistic ambiguity and enhances predictive confidence in downstream workflows.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Enables systematic investigation of nanomaterial-biomolecule interactions by providing size-defined graphene suspensions.
- Supports mechanistic de-risking by isolating the impact of flake size on biological responses.
- Facilitates reproducible target validation studies using standardized nanofluid preparations.
Screening & Assay Development
- Provides validated nanofluid inputs for high-throughput screening of nanomaterial effects.
- Improves assay reproducibility by controlling nanoparticle size distributions through process parameters.
- Enables quantitative comparison of biological outcomes across defined flake size ranges.
Translational & Preclinical Research
- Allows alignment of nanofluid properties with disease-relevant model systems when supported by size-dependent effects.
- Supports continuity from discovery to preclinical validation by standardizing nanomaterial characteristics.
- Reduces translational risk by enabling consistent material performance across studies.
Pipeline & Workflow Integration
This method integrates into the discovery-to-preclinical continuum by supplying size-controlled graphene nanofluids for hypothesis testing, screening, and mechanistic studies.
- Discovery Biology: Supports hypothesis-driven studies by enabling isolation of size-dependent effects on biological systems.
- Screening: Delivers reproducible, quantitative nanofluid samples for assay development and compound evaluation.
- Analytics: Provides UV-Vis and Raman spectroscopy outputs for quantitative assessment of flake size and quality.
- Translational Research: Facilitates risk-adjusted advancement by ensuring material consistency across research phases.
- Enterprise Reuse: Establishes a scalable, parameter-driven workflow for producing standardized nanofluids for multiple R&D programs.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Enhances predictive confidence and reduces mechanistic uncertainty in nanomaterial studies.
- Operational Value: Enables reproducible, scalable production of nanofluids with tunable properties.
- Strategic Value: Improves go/no-go decision quality by standardizing material inputs and outputs.
- Portfolio Impact: Supports risk-adjusted prioritization and cross-program material standardization.
Implementation Considerations
- Requires expertise in nanomaterial synthesis and analytical characterization (UV-Vis, Raman, electron microscopy).
- Demands access to shear mixers, centrifuges, and high-precision balances for process control and measurement.
- Necessitates cross-team standardization of process parameters for reproducibility.
- Adaptation to other nanomaterial systems may require protocol optimization.
- Operator safety precautions are essential due to PVA polymer handling requirements.
Biopharma FAQs
Chapters in this video
0:04
Title
0:39
Exfoliation of Graphite in Liquid Phase
2:11
Centrifugation
3:37
Concentration Measurements of the Resulting Nanofluids
4:45
Concentration Adjustment of the Resulting Nanofluids
5:31
Results: The Effect of Different Centrifugation Speeds
6:49
Conclusion
