[go: up one dir, main page]
More Web Proxy on the site http://driver.im/

KR20190062417A - 압축성 흐름에 의해 박리된 2d 층상화된 물질의 연속 생산 - Google Patents

압축성 흐름에 의해 박리된 2d 층상화된 물질의 연속 생산 Download PDF

Info

Publication number
KR20190062417A
KR20190062417A KR1020197009316A KR20197009316A KR20190062417A KR 20190062417 A KR20190062417 A KR 20190062417A KR 1020197009316 A KR1020197009316 A KR 1020197009316A KR 20197009316 A KR20197009316 A KR 20197009316A KR 20190062417 A KR20190062417 A KR 20190062417A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
psi
rpm
converging
flow
minutes
Prior art date
Application number
KR1020197009316A
Other languages
English (en)
Other versions
KR102498683B1 (ko
Inventor
리처드 비. 카너
에밀리 푸엉 남 응우옌
시예드 레자 리즈비
Original Assignee
더 리전트 오브 더 유니버시티 오브 캘리포니아
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 더 리전트 오브 더 유니버시티 오브 캘리포니아 filed Critical 더 리전트 오브 더 유니버시티 오브 캘리포니아
Publication of KR20190062417A publication Critical patent/KR20190062417A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102498683B1 publication Critical patent/KR102498683B1/ko

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C09—DYES; PAINTS; POLISHES; NATURAL RESINS; ADHESIVES; COMPOSITIONS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; APPLICATIONS OF MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • C09C—TREATMENT OF INORGANIC MATERIALS, OTHER THAN FIBROUS FILLERS, TO ENHANCE THEIR PIGMENTING OR FILLING PROPERTIES ; PREPARATION OF CARBON BLACK  ; PREPARATION OF INORGANIC MATERIALS WHICH ARE NO SINGLE CHEMICAL COMPOUNDS AND WHICH ARE MAINLY USED AS PIGMENTS OR FILLERS
    • C09C1/00—Treatment of specific inorganic materials other than fibrous fillers; Preparation of carbon black
    • C09C1/40—Compounds of aluminium
    • C09C1/42—Clays
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32—LAYERED PRODUCTS
    • B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B9/00—Layered products comprising a layer of a particular substance not covered by groups B32B11/00 - B32B29/00
    • B32B9/04—Layered products comprising a layer of a particular substance not covered by groups B32B11/00 - B32B29/00 comprising such particular substance as the main or only constituent of a layer, which is next to another layer of the same or of a different material
    • B32B9/041—Layered products comprising a layer of a particular substance not covered by groups B32B11/00 - B32B29/00 comprising such particular substance as the main or only constituent of a layer, which is next to another layer of the same or of a different material of metal
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B32/00—Carbon; Compounds thereof
    • C01B32/15—Nano-sized carbon materials
    • C01B32/182—Graphene
    • C01B32/184—Preparation
    • C01B32/19—Preparation by exfoliation
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B05—SPRAYING OR ATOMISING IN GENERAL; APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
    • B05B—SPRAYING APPARATUS; ATOMISING APPARATUS; NOZZLES
    • B05B1/00—Nozzles, spray heads or other outlets, with or without auxiliary devices such as valves, heating means
    • B05B1/02—Nozzles, spray heads or other outlets, with or without auxiliary devices such as valves, heating means designed to produce a jet, spray, or other discharge of particular shape or nature, e.g. in single drops, or having an outlet of particular shape
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B05—SPRAYING OR ATOMISING IN GENERAL; APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
    • B05B—SPRAYING APPARATUS; ATOMISING APPARATUS; NOZZLES
    • B05B1/00—Nozzles, spray heads or other outlets, with or without auxiliary devices such as valves, heating means
    • B05B1/02—Nozzles, spray heads or other outlets, with or without auxiliary devices such as valves, heating means designed to produce a jet, spray, or other discharge of particular shape or nature, e.g. in single drops, or having an outlet of particular shape
    • B05B1/04—Nozzles, spray heads or other outlets, with or without auxiliary devices such as valves, heating means designed to produce a jet, spray, or other discharge of particular shape or nature, e.g. in single drops, or having an outlet of particular shape in flat form, e.g. fan-like, sheet-like
    • B05B1/044—Slits, i.e. narrow openings defined by two straight and parallel lips; Elongated outlets for producing very wide discharges, e.g. fluid curtains
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32—LAYERED PRODUCTS
    • B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B33/00—Layered products characterised by particular properties or particular surface features, e.g. particular surface coatings; Layered products designed for particular purposes not covered by another single class
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y40/00—Manufacture or treatment of nanostructures
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B21/00—Nitrogen; Compounds thereof
    • C01B21/06—Binary compounds of nitrogen with metals, with silicon, or with boron, or with carbon, i.e. nitrides; Compounds of nitrogen with more than one metal, silicon or boron
    • C01B21/064—Binary compounds of nitrogen with metals, with silicon, or with boron, or with carbon, i.e. nitrides; Compounds of nitrogen with more than one metal, silicon or boron with boron
    • C01B21/0648—After-treatment, e.g. grinding, purification
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B32/00—Carbon; Compounds thereof
    • C01B32/15—Nano-sized carbon materials
    • C01B32/182—Graphene
    • C01B32/194—After-treatment
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B32/00—Carbon; Compounds thereof
    • C01B32/20—Graphite
    • C01B32/21—After-treatment
    • C01B32/22—Intercalation
    • C01B32/225—Expansion; Exfoliation
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01G—COMPOUNDS CONTAINING METALS NOT COVERED BY SUBCLASSES C01D OR C01F
    • C01G39/00—Compounds of molybdenum
    • C01G39/06—Sulfides
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B21/00—Nitrogen; Compounds thereof
    • C01B21/06—Binary compounds of nitrogen with metals, with silicon, or with boron, or with carbon, i.e. nitrides; Compounds of nitrogen with more than one metal, silicon or boron
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01P—INDEXING SCHEME RELATING TO STRUCTURAL AND PHYSICAL ASPECTS OF SOLID INORGANIC COMPOUNDS
    • C01P2002/00—Crystal-structural characteristics
    • C01P2002/70—Crystal-structural characteristics defined by measured X-ray, neutron or electron diffraction data
    • C01P2002/72—Crystal-structural characteristics defined by measured X-ray, neutron or electron diffraction data by d-values or two theta-values, e.g. as X-ray diagram
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01P—INDEXING SCHEME RELATING TO STRUCTURAL AND PHYSICAL ASPECTS OF SOLID INORGANIC COMPOUNDS
    • C01P2002/00—Crystal-structural characteristics
    • C01P2002/80—Crystal-structural characteristics defined by measured data other than those specified in group C01P2002/70
    • C01P2002/82—Crystal-structural characteristics defined by measured data other than those specified in group C01P2002/70 by IR- or Raman-data
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01P—INDEXING SCHEME RELATING TO STRUCTURAL AND PHYSICAL ASPECTS OF SOLID INORGANIC COMPOUNDS
    • C01P2002/00—Crystal-structural characteristics
    • C01P2002/80—Crystal-structural characteristics defined by measured data other than those specified in group C01P2002/70
    • C01P2002/84—Crystal-structural characteristics defined by measured data other than those specified in group C01P2002/70 by UV- or VIS- data
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01P—INDEXING SCHEME RELATING TO STRUCTURAL AND PHYSICAL ASPECTS OF SOLID INORGANIC COMPOUNDS
    • C01P2004/00—Particle morphology
    • C01P2004/01—Particle morphology depicted by an image
    • C01P2004/04—Particle morphology depicted by an image obtained by TEM, STEM, STM or AFM
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01P—INDEXING SCHEME RELATING TO STRUCTURAL AND PHYSICAL ASPECTS OF SOLID INORGANIC COMPOUNDS
    • C01P2004/00—Particle morphology
    • C01P2004/20—Particle morphology extending in two dimensions, e.g. plate-like
    • C01P2004/24—Nanoplates, i.e. plate-like particles with a thickness from 1-100 nanometer
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J37/00—Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
    • H01J37/26—Electron or ion microscopes; Electron or ion diffraction tubes

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Nanotechnology (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • General Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Geology (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Dispersion Chemistry (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Developing Agents For Electrophotography (AREA)
  • Prostheses (AREA)
  • Inorganic Compounds Of Heavy Metals (AREA)
  • Carbon And Carbon Compounds (AREA)
  • Nozzles (AREA)
  • Preparation Of Clay, And Manufacture Of Mixtures Containing Clay Or Cement (AREA)
  • Physical Or Chemical Processes And Apparatus (AREA)
  • Disintegrating Or Milling (AREA)
  • Adornments (AREA)
  • Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)

Abstract

본 명세서에는 박리된 2차원(2D) 물질을 연속적으로 제조하는 방법이 기재되되, 해당 방법은 수렴-발산 노즐을 통해 2D 물질 혼합물을 통과시키는 단계를 포함하되, 상기 2D 물질 혼합물은 2D 층상화된 물질 및 압축성 유체를 포함한다. 본 개시내용의 방법은 고압 가스 흐름이 물리적으로 압축되고 팽창되는 것을 이용하여, 상기 2D 층상화된 물질에 큰 결함을 남기지 않고, 간단하고, 연속적이며, 환경 친화적인 방식으로 박리된 2D 층상화된 물질을 생성한다.

Description

압축성 흐름에 의해 박리된 2D 층상화된 물질의 연속 생산
저작권 공지
본 특허 문서의 개시 내용의 일부는 저작권 보호를 받는 자료를 포함한다. 저작권 소유자는 미국 특허 상표청의 특허 파일이나 기록에 보이는 그대로 본 특허 문서 또는 특허 개시 내용을 누구나 복제하는 것에 대해서는 이의를 제기하지 않지만 다른 경우에 대해서는 모든 저작권을 보유한다.
상호 참조
본 출원은, 전체 내용이 본 명세서에 병합된, 2016년 9월 30일자로 출원된 미국 가출원 번호 62/402,591의 이익을 주장한다.
지난 10년 동안, 단일 층의 2차원(2D) 층상화된 물질(layered material)을 생산하는데 상당한 관심이 있었다. 화학적 구조에 따라, 단일 시트(sheet)의 층상화된 물질은 많은 유익한 특성, 예를 들어, 높은 기계적 강도, 높은 전자 및 열 전도율, 고유한 양자 역학 효과, 및 특히 촉매 및 에너지 저장 장치에 유용한 높은 표면적을 갖고 있다. 화학적 인터칼레이션(intercalation) 또는 초음파 처리(sonication)와 같은 다른 가혹한 2D 층상화된 물질 박리 방법과는 달리, 본 발명의 방법은 고압 가스의 흐름이 물리적으로 압축되고 팽창되는 것에만 의존하여 2D 층상화된 물질에 큰 결함을 남기지 않는다. 박리된 2D 층상화된 물질은 간단하고 연속적이며 환경 친화적인 방식으로 생산된다. 본 발명의 방법은 박리된 2D 층상화된 물질을 풍부하고 저렴하게 공급하여, 대량 생산 및 추가 응용 개발을 위한 길을 열어준다.
2차원(2D) 나노물질은 차세대 전자 제품, 소비재 상품, 에너지 생산 및 저장, 및 건강관리 분야에서 수많은 응용 분야를 갖고 있다. 2D 나노물질의 유용성과 응용이 급격히 증가하여 대량 생산을 위한 수단을 개발할 것이 요구된다. 2D 및 층상화된 물질 분야는 벌크 물질이 2D 형태로 분리될 때 나타나는 다양한 고유한 특성으로 인해 지난 수십 년에 걸쳐 상당한 관심을 얻었다. 이러한 층상화된 물질은 그래핀, 전이 금속 디칼코게나이드(예를 들어, 이황화몰리브덴[MoS2] 및 이황화텅스텐[WS2]) 및 질화붕소를 포함하고, 그 고유한 특성은 높은 기계적 강도, 높은 전기 및 열 전도율, 높은 표면적, 및 신종(exotic) 양자 역학 효과를 포함한다. 그러나, 이러한 특성은 종종 격자 구조, 물질의 품질, 및 분리된 층의 수에 의존한다. 그리하여 지난 10년 동안 수율을 최적화하고 비용과 처리 시간을 줄이면서 고품질의 2D 물질을 합성하고 박리하는 수많은 방법에 대한 엄청난 연구 노력이 있었다.
차세대 전자 제품, 소비재 상품, 에너지 생산 및 저장 분야에서 응용하기 위한 흑연, 질화붕소 및 MoS2와 같은 2D 층상화된 물질을 연구하고 개발하는 것이 널리 확산되어 단일 층의 2D 물질을 대량 생산하기 위한 수단을 개발하는 것이 요구된다.
등엔트로피 팽창을 받는 고압 가스에 현탁된(suspended) 2D 층상화된 물질의 다상 흐름(multiphase flow)을 사용하여 2차원(2D) 나노물질을 박리시키는 연속 흐름 박리(continuous flow exfoliation: CFE) 방법이 본 명세서에 개시된다. 일부 실시예에서, 팽창된 가스는 용매 중에 분무되고, 여기서 초기 물질의 상당한 부분(최대 20%)이 입자에 따라 수 개의 층으로 박리된다. 박리는 좁은 채널에서 그리고 압축성 가스의 급격한 등엔트로피 팽창의 존재 하에서 2D 층상화된 물질이 받는 높은 전단 속도(shear rate)(
Figure pct00001
> 105 s- 1)에 기인한다. 일부 실시예에서, 본 명세서에 기술된 방법은 예를 들어 화학적 인터칼레이션 및 박리, 및 액상 전단 박리에 관한 것과 같은 기존의 2D 물질 박리 방법에 비해 상당한 장점을 갖고, 가장 명백한 장점은 공정이 빠르고 연속적인 특성을 갖는다는 것이다. 다른 장점으로는 처리가 환경 친화적이고, 결함 발생이 적고, 임의의 가스 매체를 사용하여 임의의 2D 층상화된 물질에 적용할 수 있는 다양성이 있다는 것을 포함한다. 이 공정을 산업 생산으로 확장하면 박리된 2D 나노물질의 시장 가격을 한 자릿수만큼 낮출 수 있는 가능성이 높다.
본 명세서에서 제공되는 방법은 일괄 처리(batch processing)에 관한 것이고 초임계 유체(supercritical fluid)를 수반한다. 본 발명의 방법은 이들 인자로 제한되지 않고; 대신에 이 방법은 고압 흐름에 의존하여, 연속 동작에 적합하고, 임의의 압축성 유체를 수반할 수 있다.
미세 노즐 및 오리피스를 통해 연속적으로 흐르는 고속 압축성 유체에 의해 2D 층상화된 물질을 연속적으로 흐르게 하며 박리시키는 방법이 본 명세서에 제공된다. 근본적인 원리는 압축성 매체에 현탁된 2D 층상화된 물질의 다상 흐름을 천음속(transonic) 및 초음속(supersonic)까지 가속시켜 충분한 전단 속도(
Figure pct00002
> 105 s- 1)를 생성해서 층을 감소시키고 박리를 유발하는 것에 기반한다. 또한, 흐름에서 충격파 및 저압이 존재해서 또한 층을 감소시켜 박리되는 것을 돕는다. 헬륨 가스 및 질화붕소 입자를 사용하여, CFE 공정은 4.2 나노미터(㎚)의 평균 두께와 276㎚의 평균 길이 및 약 65의 평균 종횡비(aspect ratio)를 갖는 아이소프로판올의 2D 나노물질의 현탁액을 형성한다. 본 명세서에서 개시된 CFE 공정은 헬륨, 질소 및 이산화탄소와 같은 다수의 가스를 사용하여 그래핀 및 몰리브덴 황화물과 같은 다른 2D 나노물질을 박리할 수 있다. 단기간에 높은 농도(0.2 밀리그램/밀리리터[mg/mL])를 달성하는 것 외에도, CFE의 장점은, 박리 및 현탁액 안정화 공정을 서로 분리하는 능력, 환경 친화적인 처리, 비교되는 초음파 시간 기반 처리에서 발생할 수 있는 결함 발생을 줄이는 것을 포함한다. 고처리량 2D 나노물질을 생산하기 위해 연속 흐름의 압축성 가스를 사용하면 비용을 한 자릿수 이상만큼 낮출 수 있는 가능성과 함께 경제적으로 실현 가능한 대량 생산의 패러다임을 변화시킬 수 있다.
본 명세서에서 제공되는 일 양태는, 박리된 2D 물질을 연속적으로 생산하는 방법으로서, 수렴-발산 노즐을 통해 2D 물질 혼합물을 통과시키는 단계를 포함하고, 상기 2D 물질 혼합물은 2D 층상화된 물질 및 압축성 유체를 포함하는, 상기 박리된 2D 물질을 연속적으로 생산하는 방법이다.
일부 실시예에서, 상기 2D 층상화된 물질은 흑연, 그래핀, 질화붕소, 단일 층의 질화붕소, 이황화몰리브덴(MoS2), 단일 층의 MoS2 또는 이들의 임의의 조합을 포함한다. 일부 실시예에서, 상기 압축성 유체는 공기, 질소, 이산화탄소, 헬륨 또는 이들의 임의의 조합을 포함한다.
일부 실시예에서, 상기 2D 물질 혼합물에서 상기 2D 층상화된 물질의 농도는 약 0.01 mg/mL 내지 약 0.4 mg/mL이다. 일부 실시예에서, 상기 2D 물질 혼합물에서 상기 2D 층상화된 물질의 농도는 적어도 약 0.01 mg/mL이다. 일부 실시예에서, 상기 2D 물질 혼합물에서 상기 2D 층상화된 물질의 농도는 기껏 약 0.4 mg/mL이다. 일부 실시예에서, 상기 2D 물질 혼합물에서 상기 2D 층상화된 물질의 농도는 약 0.01 mg/mL 내지 약 0.02 mg/mL, 약 0.01 mg/mL 내지 약 0.05 mg/mL, 약 0.01 mg/mL 내지 약 0.1 mg/mL, 약 0.01 mg/mL 내지 약 0.15 mg/mL, 약 0.01 mg/mL 내지 약 0.2 mg/mL, 약 0.01 mg/mL 내지 약 0.25 mg/mL, 약 0.01 mg/mL 내지 약 0.3 mg/mL, 약 0.01 mg/mL 내지 약 0.35 mg/mL, 약 0.01 mg/mL 내지 약 0.4 mg/mL, 약 0.02 mg/mL 내지 약 0.05 mg/mL, 약 0.02 mg/mL 내지 약 0.1 mg/mL, 약 0.02 mg/mL 내지 약 0.15 mg/mL, 약 0.02 mg/mL 내지 약 0.2 mg/mL, 약 0.02 mg/mL 내지 약 0.25 mg/mL, 약 0.02 mg/mL 내지 약 0.3 mg/mL, 약 0.02 mg/mL 내지 약 0.35 mg/mL, 약 0.02 mg/mL 내지 약 0.4 mg/mL, 약 0.05 mg/mL 내지 약 0.1 mg/mL, 약 0.05 mg/mL 내지 약 0.15 mg/mL, 약 0.05 mg/mL 내지 약 0.2 mg/mL, 약 0.05 mg/mL 내지 약 0.25 mg/mL, 약 0.05 mg/mL 내지 약 0.3 mg/mL, 약 0.05 mg/mL 내지 약 0.35 mg/mL, 약 0.05 mg/mL 내지 약 0.4 mg/mL, 약 0.1 mg/mL 내지 약 0.15 mg/mL, 약 0.1 mg/mL 내지 약 0.2 mg/mL, 약 0.1 mg/mL 내지 약 0.25 mg/mL, 약 0.1 mg/mL 내지 약 0.3 mg/mL, 약 0.1 mg/mL 내지 약 0.35 mg/mL, 약 0.1 mg/mL 내지 약 0.4 mg/mL, 약 0.15 mg/mL 내지 약 0.2 mg/mL, 약 0.15 mg/mL 내지 약 0.25 mg/mL, 약 0.15 mg/mL 내지 약 0.3 mg/mL, 약 0.15 mg/mL 내지 약 0.35 mg/mL, 약 0.15 mg/mL 내지 약 0.4 mg/mL, 약 0.2 mg/mL 내지 약 0.25 mg/mL, 약 0.2 mg/mL 내지 약 0.3 mg/mL, 약 0.2 mg/mL 내지 약 0.35 mg/mL, 약 0.2 mg/mL 내지 약 0.4 mg/mL, 약 0.25 mg/mL 내지 약 0.3 mg/mL, 약 0.25 mg/mL 내지 약 0.35 mg/mL, 약 0.25 mg/mL 내지 약 0.4 mg/mL, 약 0.3 mg/mL 내지 약 0.35 mg/mL, 약 0.3 mg/mL 내지 약 0.4 mg/mL, 또는 약 0.35 mg/mL 내지 약 0.4 mg/mL이다. 일부 실시예에서, 상기 2D 물질 혼합물에서 상기 2D 층상화된 물질의 농도는 약 0.01 mg/mL, 약 0.02 mg/mL, 약 0.05 mg/mL, 약 0.1 mg/mL, 약 0.15 mg/mL, 약 0.2 mg/mL, 약 0.25 mg/mL, 약 0.3 mg/mL, 약 0.35 mg/mL, 또는 약 0.4 mg/mL이다.
일부 실시예에서, 상기 수렴-발산 노즐은 드라발(de Laval) 노즐, 밸브, 오리피스, 얇은 관, 또는 이들의 임의의 조합을 포함한다. 일부 실시예에서, 상기 밸브는 니들(needle) 밸브, 버터플라이(butterfly) 밸브, 글로브(globe) 밸브, 핀치(pinch) 밸브, 조절 가능한 흐름 밸브, 일방향(one-way) 흐름 밸브, 또는 이들의 임의의 조합을 포함한다. 일부 실시예에서, 상기 2D 물질 혼합물은 상기 압축성 유체 내 음속(speed of sound) 미만의 속도로 상기 수렴-발산 노즐에 들어간다. 일부 실시예에서, 상기 2D 물질 혼합물은 상기 압축성 유체 내 음속을 초과하는 속도로 상기 수렴-발산 노즐에 들어간다. 일부 실시예에서, 상기 박리된 2D 물질은 기껏 약 20개의 층을 포함하는 복수의 박편(flake)을 포함한다. 일부 실시예에서, 상기 2D 물질 혼합물은 용매를 더 포함한다.
일부 실시예에서, 상기 수렴-발산 노즐을 통해 상기 2D 물질 혼합물을 통과시키는 것은 약 200 파운드/평방인치(pound per square inch: psi) 내지 약 4,000 psi의 압력을 상기 2D 물질 혼합물에 인가하는 것을 포함한다. 일부 실시예에서, 상기 수렴-발산 노즐을 통해 상기 2D 물질 혼합물을 통과시키는 것은 적어도 약 200 psi의 압력을 상기 2D 물질 혼합물에 인가하는 것을 포함한다. 일부 실시예에서, 상기 수렴-발산 노즐을 통해 상기 2D 물질 혼합물을 통과시키는 것은 기껏 약 4,000 psi의 압력을 상기 2D 물질 혼합물에 인가하는 것을 포함한다. 일부 실시예에서, 상기 수렴-발산 노즐을 통해 상기 2D 물질 혼합물을 통과시키는 것은 약 200 psi 내지 약 300 psi, 약 200 psi 내지 약 400 psi, 약 200 psi 내지 약 500 psi, 약 200 psi 내지 약 750 psi, 약 200 psi 내지 약 1,000 psi, 약 200 psi 내지 약 1,500 psi, 약 200 psi 내지 약 2,000 psi, 약 200 psi 내지 약 2,500 psi, 약 200 psi 내지 약 3,000 psi, 약 200 psi 내지 약 3,500 psi, 약 200 psi 내지 약 4,000 psi, 약 300 psi 내지 약 400 psi, 약 300 psi 내지 약 500 psi, 약 300 psi 내지 약 750 psi, 약 300 psi 내지 약 1,000 psi, 약 300 psi 내지 약 1,500 psi, 약 300 psi 내지 약 2,000 psi, 약 300 psi 내지 약 2,500 psi, 약 300 psi 내지 약 3,000 psi, 약 300 psi 내지 약 3,500 psi, 약 300 psi 내지 약 4,000 psi, 약 400 psi 내지 약 500 psi, 약 400 psi 내지 약 750 psi, 약 400 psi 내지 약 1,000 psi, 약 400 psi 내지 약 1,500 psi, 약 400 psi 내지 약 2,000 psi, 약 400 psi 내지 약 2,500 psi, 약 400 psi 내지 약 3,000 psi, 약 400 psi 내지 약 3,500 psi, 약 400 psi 내지 약 4,000 psi, 약 500 psi 내지 약 750 psi, 약 500 psi 내지 약 1,000 psi, 약 500 psi 내지 약 1,500 psi, 약 500 psi 내지 약 2,000 psi, 약 500 psi 내지 약 2,500 psi, 약 500 psi 내지 약 3,000 psi, 약 500 psi 내지 약 3,500 psi, 약 500 psi 내지 약 4,000 psi, 약 750 psi 내지 약 1,000 psi, 약 750 psi 내지 약 1,500 psi, 약 750 psi 내지 약 2,000 psi, 약 750 psi 내지 약 2,500 psi, 약 750 psi 내지 약 3,000 psi, 약 750 psi 내지 약 3,500 psi, 약 750 psi 내지 약 4,000 psi, 약 1,000 psi 내지 약 1,500 psi, 약 1,000 psi 내지 약 2,000 psi, 약 1,000 psi 내지 약 2,500 psi, 약 1,000 psi 내지 약 3,000 psi, 약 1,000 psi 내지 약 3,500 psi, 약 1,000 psi 내지 약 4,000 psi, 약 1,500 psi 내지 약 2,000 psi, 약 1,500 psi 내지 약 2,500 psi, 약 1,500 psi 내지 약 3,000 psi, 약 1,500 psi 내지 약 3,500 psi, 약 1,500 psi 내지 약 4,000 psi, 약 2,000 psi 내지 약 2,500 psi, 약 2,000 psi 내지 약 3,000 psi, 약 2,000 psi 내지 약 3,500 psi, 약 2,000 psi 내지 약 4,000 psi, 약 2,500 psi 내지 약 3,000 psi, 약 2,500 psi 내지 약 3,500 psi, 약 2,500 psi 내지 약 4,000 psi, 약 3,000 psi 내지 약 3,500 psi, 약 3,000 psi 내지 약 4,000 psi, 또는 약 3,500 psi 내지 약 4,000 psi의 압력을 상기 2D 물질 혼합물에 인가하는 것을 포함한다. 일부 실시예에서, 상기 수렴-발산 노즐을 통해 상기 2D 물질 혼합물을 통과시키는 것은 약 200 psi, 약 300 psi, 약 400 psi, 약 500 psi, 약 750 psi, 약 1,000 psi, 약 1,500 psi, 약 2,000 psi, 약 2,500 psi, 약 3,000 psi, 약 3,500 psi, 또는 약 4,000 psi의 압력을 상기 2D 물질 혼합물에 인가하는 것을 포함한다.
일부 실시예에서, 상기 수렴-발산 노즐은 약 0.005 밀리미터(㎜) 내지 약 0.5㎜의 목부(throat) 치수를 갖는다. 일부 실시예에서, 상기 수렴-발산 노즐은 적어도 약 0.005㎜의 목부 치수를 갖는다. 일부 실시예에서, 상기 수렴-발산 노즐은 기껏 약 0.5㎜의 목부 치수를 갖는다. 일부 실시예에서, 상기 수렴-발산 노즐은 약 0.005㎜ 내지 약 0.0075㎜, 약 0.005㎜ 내지 약 0.01㎜, 약 0.005㎜ 내지 약 0.025㎜, 약 0.005㎜ 내지 약 0.05㎜, 약 0.005㎜ 내지 약 0.075㎜, 약 0.005㎜ 내지 약 0.1㎜, 약 0.005㎜ 내지 약 0.2㎜, 약 0.005㎜ 내지 약 0.3㎜, 약 0.005㎜ 내지 약 0.4㎜, 약 0.005㎜ 내지 약 0.5㎜, 약 0.0075㎜ 내지 약 0.01㎜, 약 0.0075㎜ 내지 약 0.025㎜, 약 0.0075㎜ 내지 약 0.05㎜, 약 0.0075㎜ 내지 약 0.075㎜, 약 0.0075㎜ 내지 약 0.1㎜, 약 0.0075㎜ 내지 약 0.2㎜, 약 0.0075㎜ 내지 약 0.3㎜, 약 0.0075㎜ 내지 약 0.4㎜, 약 0.0075㎜ 내지 약 0.5㎜, 약 0.01㎜ 내지 약 0.025㎜, 약 0.01㎜ 내지 약 0.05㎜, 약 0.01㎜ 내지 약 0.075㎜, 약 0.01㎜ 내지 약 0.1㎜, 약 0.01㎜ 내지 약 0.2㎜, 약 0.01㎜ 내지 약 0.3㎜, 약 0.01㎜ 내지 약 0.4㎜, 약 0.01㎜ 내지 약 0.5㎜, 약 0.025㎜ 내지 약 0.05㎜, 약 0.025㎜ 내지 약 0.075㎜, 약 0.025㎜ 내지 약 0.1㎜, 약 0.025㎜ 내지 약 0.2㎜, 약 0.025㎜ 내지 약 0.3㎜, 약 0.025㎜ 내지 약 0.4㎜, 약 0.025㎜ 내지 약 0.5㎜, 약 0.05㎜ 내지 약 0.075㎜, 약 0.05㎜ 내지 약 0.1㎜, 약 0.05㎜ 내지 약 0.2㎜, 약 0.05㎜ 내지 약 0.3㎜, 약 0.05㎜ 내지 약 0.4㎜, 약 0.05㎜ 내지 약 0.5㎜, 약 0.075㎜ 내지 약 0.1㎜, 약 0.075㎜ 내지 약 0.2㎜, 약 0.075㎜ 내지 약 0.3㎜, 약 0.075㎜ 내지 약 0.4㎜, 약 0.075㎜ 내지 약 0.5㎜, 약 0.1㎜ 내지 약 0.2㎜, 약 0.1㎜ 내지 약 0.3㎜, 약 0.1㎜ 내지 약 0.4㎜, 약 0.1㎜ 내지 약 0.5㎜, 약 0.2㎜ 내지 약 0.3㎜, 약 0.2㎜ 내지 약 0.4㎜, 약 0.2㎜ 내지 약 0.5㎜, 약 0.3㎜ 내지 약 0.4㎜, 약 0.3㎜ 내지 약 0.5㎜, 또는 약 0.4㎜ 내지 약 0.5㎜의 목부 치수를 갖는다. 일부 실시예에서, 상기 수렴-발산 노즐은 약 0.005㎜, 약 0.0075㎜, 약 0.01㎜, 약 0.025㎜, 약 0.05㎜, 약 0.075㎜, 약 0.1㎜, 약 0.2㎜, 약 0.3㎜, 약 0.4㎜, 또는 약 0.5㎜의 목부 치수를 갖는다.
일부 실시예에서, 상기 수렴-발산 노즐은 약 3㎜ 내지 약 10㎜의 입구(inlet) 또는 출구(outlet) 치수를 갖는다. 일부 실시예에서, 상기 수렴-발산 노즐은 적어도 약 3㎜의 입구 또는 출구 치수를 갖는다. 일부 실시예에서, 상기 수렴-발산 노즐은 기껏 약 10㎜의 입구 또는 출구 치수를 갖는다. 일부 실시예에서, 상기 수렴-발산 노즐은 약 3㎜ 내지 약 3.5㎜, 약 3㎜ 내지 약 4㎜, 약 3㎜ 내지 약 4.5㎜, 약 3㎜ 내지 약 5㎜, 약 3㎜ 내지 약 5.5㎜, 약 3㎜ 내지 약 6㎜, 약 3㎜ 내지 약 6.5㎜, 약 3㎜ 내지 약 7㎜, 약 3㎜ 내지 약 8㎜, 약 3㎜ 내지 약 9㎜, 약 3㎜ 내지 약 10㎜, 약 3.5㎜ 내지 약 4㎜, 약 3.5㎜ 내지 약 4.5㎜, 약 3.5㎜ 내지 약 5㎜, 약 3.5㎜ 내지 약 5.5㎜, 약 3.5㎜ 내지 약 6㎜, 약 3.5㎜ 내지 약 6.5㎜, 약 3.5㎜ 내지 약 7㎜, 약 3.5㎜ 내지 약 8㎜, 약 3.5㎜ 내지 약 9㎜, 약 3.5㎜ 내지 약 10㎜, 약 4㎜ 내지 약 4.5㎜, 약 4㎜ 내지 약 5㎜, 약 4㎜ 내지 약 5.5㎜, 약 4㎜ 내지 약 6㎜, 약 4㎜ 내지 약 6.5㎜, 약 4㎜ 내지 약 7㎜, 약 4㎜ 내지 약 8㎜, 약 4㎜ 내지 약 9㎜, 약 4㎜ 내지 약 10㎜, 약 4.5㎜ 내지 약 5㎜, 약 4.5㎜ 내지 약 5.5㎜, 약 4.5㎜ 내지 약 6㎜, 약 4.5㎜ 내지 약 6.5㎜, 약 4.5㎜ 내지 약 7㎜, 약 4.5㎜ 내지 약 8㎜, 약 4.5㎜ 내지 약 9㎜, 약 4.5㎜ 내지 약 10㎜, 약 5㎜ 내지 약 5.5㎜, 약 5㎜ 내지 약 6㎜, 약 5㎜ 내지 약 6.5㎜, 약 5㎜ 내지 약 7㎜, 약 5㎜ 내지 약 8㎜, 약 5㎜ 내지 약 9㎜, 약 5㎜ 내지 약 10㎜, 약 5.5㎜ 내지 약 6㎜, 약 5.5㎜ 내지 약 6.5㎜, 약 5.5㎜ 내지 약 7㎜, 약 5.5㎜ 내지 약 8㎜, 약 5.5㎜ 내지 약 9㎜, 약 5.5㎜ 내지 약 10㎜, 약 6㎜ 내지 약 6.5㎜, 약 6㎜ 내지 약 7㎜, 약 6㎜ 내지 약 8㎜, 약 6㎜ 내지 약 9㎜, 약 6㎜ 내지 약 10㎜, 약 6.5㎜ 내지 약 7㎜, 약 6.5㎜ 내지 약 8㎜, 약 6.5㎜ 내지 약 9㎜, 약 6.5㎜ 내지 약 10㎜, 약 7㎜ 내지 약 8㎜, 약 7㎜ 내지 약 9㎜, 약 7㎜ 내지 약 10㎜, 약 8㎜ 내지 약 9㎜, 약 8㎜ 내지 약 10㎜, 또는 약 9㎜ 내지 약 10㎜의 입구 또는 출구 치수를 갖는다. 일부 실시예에서, 상기 수렴-발산 노즐은 약 3㎜, 약 3.5㎜, 약 4㎜, 약 4.5㎜, 약 5㎜, 약 5.5㎜, 약 6㎜, 약 6.5㎜, 약 7㎜, 약 8㎜, 약 9㎜, 또는 약 10㎜의 입구 또는 출구 치수를 갖는다.
일부 실시예에서, 상기 수렴-발산 노즐은 약 15 센티미터(㎝) 내지 약 60㎝의 길이를 갖는다. 일부 실시예에서, 상기 수렴-발산 노즐은 적어도 약 15㎝의 길이를 갖는다. 일부 실시예에서, 상기 수렴-발산 노즐은 기껏 약 60㎝의 길이를 갖는다. 일부 실시예에서, 상기 수렴-발산 노즐은 약 15㎝ 내지 약 20㎝, 약 15㎝ 내지 약 25㎝, 약 15㎝ 내지 약 30㎝, 약 15㎝ 내지 약 35㎝, 약 15㎝ 내지 약 40㎝, 약 15㎝ 내지 약 45㎝, 약 15㎝ 내지 약 50㎝, 약 15㎝ 내지 약 55㎝, 약 15㎝ 내지 약 60㎝, 약 20㎝ 내지 약 25㎝, 약 20㎝ 내지 약 30㎝, 약 20㎝ 내지 약 35㎝, 약 20㎝ 내지 약 40㎝, 약 20㎝ 내지 약 45㎝, 약 20㎝ 내지 약 50㎝, 약 20㎝ 내지 약 55㎝, 약 20㎝ 내지 약 60㎝, 약 25㎝ 내지 약 30㎝, 약 25㎝ 내지 약 35㎝, 약 25㎝ 내지 약 40㎝, 약 25㎝ 내지 약 45㎝, 약 25㎝ 내지 약 50㎝, 약 25㎝ 내지 약 55㎝, 약 25㎝ 내지 약 60㎝, 약 30㎝ 내지 약 35㎝, 약 30㎝ 내지 약 40㎝, 약 30㎝ 내지 약 45㎝, 약 30㎝ 내지 약 50㎝, 약 30㎝ 내지 약 55㎝, 약 30㎝ 내지 약 60㎝, 약 35㎝ 내지 약 40㎝, 약 35㎝ 내지 약 45㎝, 약 35㎝ 내지 약 50㎝, 약 35㎝ 내지 약 55㎝, 약 35㎝ 내지 약 60㎝, 약 40㎝ 내지 약 45㎝, 약 40㎝ 내지 약 50㎝, 약 40㎝ 내지 약 55㎝, 약 40㎝ 내지 약 60㎝, 약 45㎝ 내지 약 50㎝, 약 45㎝ 내지 약 55㎝, 약 45㎝ 내지 약 60㎝, 약 50㎝ 내지 약 55㎝, 약 50㎝ 내지 약 60㎝, 또는 약 55㎝ 내지 약 60㎝의 길이를 갖는다. 일부 실시예에서, 상기 수렴-발산 노즐은 약 15㎝, 약 20㎝, 약 25㎝, 약 30㎝, 약 35㎝, 약 40㎝, 약 45㎝, 약 50㎝, 약 55㎝, 또는 약 60㎝의 길이를 갖는다.
일부 실시예에서, 상기 수렴-발산 노즐은 약 15 내지 약 60의 목부 대 입구(throat-to-inlet) 치수 비율과 목부 대 출구(throat-to-outlet) 치수 비율 중 적어도 하나를 갖는다. 일부 실시예에서, 상기 수렴-발산 노즐은 적어도 약 15의 목부 대 입구 치수 비율과 목부 대 출구 치수 비율 중 적어도 하나를 갖는다. 일부 실시예에서, 상기 수렴-발산 노즐은 기껏 약 60의 목부 대 입구 치수 비율과 목부 대 출구 치수 비율 중 적어도 하나를 갖는다. 일부 실시예에서, 상기 수렴-발산 노즐은 약 15 내지 약 20, 약 15 내지 약 25, 약 15 내지 약 30, 약 15 내지 약 35, 약 15 내지 약 40, 약 15 내지 약 45, 약 15 내지 약 50, 약 15 내지 약 55, 약 15 내지 약 60, 약 20 내지 약 25, 약 20 내지 약 30, 약 20 내지 약 35, 약 20 내지 약 40, 약 20 내지 약 45, 약 20 내지 약 50, 약 20 내지 약 55, 약 20 내지 약 60, 약 25 내지 약 30, 약 25 내지 약 35, 약 25 내지 약 40, 약 25 내지 약 45, 약 25 내지 약 50, 약 25 내지 약 55, 약 25 내지 약 60, 약 30 내지 약 35, 약 30 내지 약 40, 약 30 내지 약 45, 약 30 내지 약 50, 약 30 내지 약 55, 약 30 내지 약 60, 약 35 내지 약 40, 약 35 내지 약 45, 약 35 내지 약 50, 약 35 내지 약 55, 약 35 내지 약 60, 약 40 내지 약 45, 약 40 내지 약 50, 약 40 내지 약 55, 약 40 내지 약 60, 약 45 내지 약 50, 약 45 내지 약 55, 약 45 내지 약 60, 약 50 내지 약 55, 약 50 내지 약 60, 또는 약 55 내지 약 60의 목부 대 입구 치수 비율과 목부 대 출구 치수 비율 중 적어도 하나를 갖는다. 일부 실시예에서, 상기 수렴-발산 노즐은 약 15, 약 20, 약 25, 약 30, 약 35, 약 40, 약 45, 약 50, 약 55, 또는 약 60의 목부 대 입구 치수 비율과 목부 대 출구 치수 비율 중 적어도 하나를 갖는다.
일부 실시예에서, 상기 박리된 2D 물질로 생산된 상기 2D 층상화된 물질의 퍼센트는 약 50% 내지 약 100%이다. 일부 실시예에서, 상기 박리된 2D 물질로 생산된 상기 2D 층상화된 물질의 퍼센트는 적어도 약 50%이다. 일부 실시예에서, 상기 박리된 2D 물질로 생산된 상기 2D 층상화된 물질의 퍼센트는 기껏 약 100%이다. 일부 실시예에서, 상기 박리된 2D 물질로 생산된 상기 2D 층상화된 물질의 퍼센트는 약 50% 내지 약 55%, 약 50% 내지 약 60%, 약 50% 내지 약 65%, 약 50% 내지 약 70%, 약 50% 내지 약 75%, 약 50% 내지 약 80%, 약 50% 내지 약 85%, 약 50% 내지 약 90%, 약 50% 내지 약 95%, 약 50% 내지 약 100%, 약 55% 내지 약 60%, 약 55% 내지 약 65%, 약 55% 내지 약 70%, 약 55% 내지 약 75%, 약 55% 내지 약 80%, 약 55% 내지 약 85%, 약 55% 내지 약 90%, 약 55% 내지 약 95%, 약 55% 내지 약 100%, 약 60% 내지 약 65%, 약 60% 내지 약 70%, 약 60% 내지 약 75%, 약 60% 내지 약 80%, 약 60% 내지 약 85%, 약 60% 내지 약 90%, 약 60% 내지 약 95%, 약 60% 내지 약 100%, 약 65% 내지 약 70%, 약 65% 내지 약 75%, 약 65% 내지 약 80%, 약 65% 내지 약 85%, 약 65% 내지 약 90%, 약 65% 내지 약 95%, 약 65% 내지 약 100%, 약 70% 내지 약 75%, 약 70% 내지 약 80%, 약 70% 내지 약 85%, 약 70% 내지 약 90%, 약 70% 내지 약 95%, 약 70% 내지 약 100%, 약 75% 내지 약 80%, 약 75% 내지 약 85%, 약 75% 내지 약 90%, 약 75% 내지 약 95%, 약 75% 내지 약 100%, 약 80% 내지 약 85%, 약 80% 내지 약 90%, 약 80% 내지 약 95%, 약 80% 내지 약 100%, 약 85% 내지 약 90%, 약 85% 내지 약 95%, 약 85% 내지 약 100%, 약 90% 내지 약 95%, 약 90% 내지 약 100%, 또는 약 95% 내지 약 100%이다. 일부 실시예에서, 상기 박리된 2D 물질로 생산된 상기 2D 층상화된 물질의 퍼센트는 약 50%, 약 55%, 약 60%, 약 65%, 약 70%, 약 75%, 약 80%, 약 85%, 약 90%, 약 95%, 또는 약 100%이다.
일부 실시예에서, 상기 박리된 2D 물질은 약 10 내지 약 1,000의 평균 종횡비를 갖는 복수의 박편을 포함한다. 일부 실시예에서, 상기 박리된 2D 물질은 적어도 약 10의 평균 종횡비를 갖는 복수의 박편을 포함한다. 일부 실시예에서, 상기 박리된 2D 물질은 기껏 약 1,000의 평균 종횡비를 갖는 복수의 박편을 포함한다. 일부 실시예에서, 상기 박리된 2D 물질은 약 10 내지 약 25, 약 10 내지 약 50, 약 10 내지 약 75, 약 10 내지 약 100, 약 10 내지 약 200, 약 10 내지 약 300, 약 10 내지 약 400, 약 10 내지 약 500, 약 10 내지 약 600, 약 10 내지 약 800, 약 10 내지 약 1,000, 약 25 내지 약 50, 약 25 내지 약 75, 약 25 내지 약 100, 약 25 내지 약 200, 약 25 내지 약 300, 약 25 내지 약 400, 약 25 내지 약 500, 약 25 내지 약 600, 약 25 내지 약 800, 약 25 내지 약 1,000, 약 50 내지 약 75, 약 50 내지 약 100, 약 50 내지 약 200, 약 50 내지 약 300, 약 50 내지 약 400, 약 50 내지 약 500, 약 50 내지 약 600, 약 50 내지 약 800, 약 50 내지 약 1,000, 약 75 내지 약 100, 약 75 내지 약 200, 약 75 내지 약 300, 약 75 내지 약 400, 약 75 내지 약 500, 약 75 내지 약 600, 약 75 내지 약 800, 약 75 내지 약 1,000, 약 100 내지 약 200, 약 100 내지 약 300, 약 100 내지 약 400, 약 100 내지 약 500, 약 100 내지 약 600, 약 100 내지 약 800, 약 100 내지 약 1,000, 약 200 내지 약 300, 약 200 내지 약 400, 약 200 내지 약 500, 약 200 내지 약 600, 약 200 내지 약 800, 약 200 내지 약 1,000, 약 300 내지 약 400, 약 300 내지 약 500, 약 300 내지 약 600, 약 300 내지 약 800, 약 300 내지 약 1,000, 약 400 내지 약 500, 약 400 내지 약 600, 약 400 내지 약 800, 약 400 내지 약 1,000, 약 500 내지 약 600, 약 500 내지 약 800, 약 500 내지 약 1,000, 약 600 내지 약 800, 약 600 내지 약 1,000, 또는 약 800 내지 약 1,000의 평균 종횡비를 갖는 복수의 박편을 포함한다.
일부 실시예에서, 상기 박리된 2D 물질은 약 0.35㎚ 내지 약 10㎚의 평균 두께를 갖는 복수의 박편을 포함한다. 일부 실시예에서, 상기 박리된 2D 물질은 적어도 약 0.35㎚의 평균 두께를 갖는 복수의 박편을 포함한다. 일부 실시예에서, 상기 박리된 2D 물질은 기껏 약 10㎚의 평균 두께를 갖는 복수의 박편을 포함한다. 일부 실시예에서, 상기 박리된 2D 물질은 약 0.35㎚ 내지 약 0.5㎚, 약 0.35㎚ 내지 약 1㎚, 약 0.35㎚ 내지 약 2㎚, 약 0.35㎚ 내지 약 3㎚, 약 0.35㎚ 내지 약 4㎚, 약 0.35㎚ 내지 약 5㎚, 약 0.35㎚ 내지 약 6㎚, 약 0.35㎚ 내지 약 7㎚, 약 0.35㎚ 내지 약 8㎚, 약 0.35㎚ 내지 약 9㎚, 약 0.35㎚ 내지 약 10㎚, 약 0.5㎚ 내지 약 1㎚, 약 0.5㎚ 내지 약 2㎚, 약 0.5㎚ 내지 약 3㎚, 약 0.5㎚ 내지 약 4㎚, 약 0.5㎚ 내지 약 5㎚, 약 0.5㎚ 내지 약 6㎚, 약 0.5㎚ 내지 약 7㎚, 약 0.5㎚ 내지 약 8㎚, 약 0.5㎚ 내지 약 9㎚, 약 0.5㎚ 내지 약 10㎚, 약 1㎚ 내지 약 2㎚, 약 1㎚ 내지 약 3㎚, 약 1㎚ 내지 약 4㎚, 약 1㎚ 내지 약 5㎚, 약 1㎚ 내지 약 6㎚, 약 1㎚ 내지 약 7㎚, 약 1㎚ 내지 약 8㎚, 약 1㎚ 내지 약 9㎚, 약 1㎚ 내지 약 10㎚, 약 2㎚ 내지 약 3㎚, 약 2㎚ 내지 약 4㎚, 약 2㎚ 내지 약 5㎚, 약 2㎚ 내지 약 6㎚, 약 2㎚ 내지 약 7㎚, 약 2㎚ 내지 약 8㎚, 약 2㎚ 내지 약 9㎚, 약 2㎚ 내지 약 10㎚, 약 3㎚ 내지 약 4㎚, 약 3㎚ 내지 약 5㎚, 약 3㎚ 내지 약 6㎚, 약 3㎚ 내지 약 7㎚, 약 3㎚ 내지 약 8㎚, 약 3㎚ 내지 약 9㎚, 약 3㎚ 내지 약 10㎚, 약 4㎚ 내지 약 5㎚, 약 4㎚ 내지 약 6㎚, 약 4㎚ 내지 약 7㎚, 약 4㎚ 내지 약 8㎚, 약 4㎚ 내지 약 9㎚, 약 4㎚ 내지 약 10㎚, 약 5㎚ 내지 약 6㎚, 약 5㎚ 내지 약 7㎚, 약 5㎚ 내지 약 8㎚, 약 5㎚ 내지 약 9㎚, 약 5㎚ 내지 약 10㎚, 약 6㎚ 내지 약 7㎚, 약 6㎚ 내지 약 8㎚, 약 6㎚ 내지 약 9㎚, 약 6㎚ 내지 약 10㎚, 약 7㎚ 내지 약 8㎚, 약 7㎚ 내지 약 9㎚, 약 7㎚ 내지 약 10㎚, 약 8㎚ 내지 약 9㎚, 약 8㎚ 내지 약 10㎚, 또는 약 9㎚ 내지 약 10㎚의 평균 두께를 갖는 복수의 박편을 포함한다. 일부 실시예에서, 상기 박리된 2D 물질은 약 0.35㎚, 약 0.5㎚, 약 1㎚, 약 2㎚, 약 3㎚, 약 4㎚, 약 5㎚, 약 6㎚, 약 7㎚, 약 8㎚, 약 9㎚, 또는 약 10㎚의 평균 두께를 갖는 복수의 박편을 포함한다.
일부 실시예에서, 상기 박리된 2D 물질은 약 50㎚ 내지 약 1,600㎚의 평균 길이를 갖는 복수의 박편을 포함한다. 일부 실시예에서, 상기 박리된 2D 물질은 적어도 약 50㎚의 길이를 갖는 복수의 박편을 포함한다. 일부 실시예에서, 상기 박리된 2D 물질은 기껏 약 1,600㎚의 평균 길이를 갖는 복수의 박편을 포함한다. 일부 실시예에서, 상기 박리된 2D 물질은 약 50㎚ 내지 약 100㎚, 약 50㎚ 내지 약 200㎚, 약 50㎚ 내지 약 300㎚, 약 50㎚ 내지 약 400㎚, 약 50㎚ 내지 약 500㎚, 약 50㎚ 내지 약 750㎚, 약 50㎚ 내지 약 1,000㎚, 약 50㎚ 내지 약 1,250㎚, 약 50㎚ 내지 약 1,500㎚, 약 50㎚ 내지 약 1,600㎚, 약 100㎚ 내지 약 200㎚, 약 100㎚ 내지 약 300㎚, 약 100㎚ 내지 약 400㎚, 약 100㎚ 내지 약 500㎚, 약 100㎚ 내지 약 750㎚, 약 100㎚ 내지 약 1,000㎚, 약 100㎚ 내지 약 1,250㎚, 약 100㎚ 내지 약 1,500㎚, 약 100㎚ 내지 약 1,600㎚, 약 200㎚ 내지 약 300㎚, 약 200㎚ 내지 약 400㎚, 약 200㎚ 내지 약 500㎚, 약 200㎚ 내지 약 750㎚, 약 200㎚ 내지 약 1,000㎚, 약 200㎚ 내지 약 1,250㎚, 약 200㎚ 내지 약 1,500㎚, 약 200㎚ 내지 약 1,600㎚, 약 300㎚ 내지 약 400㎚, 약 300㎚ 내지 약 500㎚, 약 300㎚ 내지 약 750㎚, 약 300㎚ 내지 약 1,000㎚, 약 300㎚ 내지 약 1,250㎚, 약 300㎚ 내지 약 1,500㎚, 약 300㎚ 내지 약 1,600㎚, 약 400㎚ 내지 약 500㎚, 약 400㎚ 내지 약 750㎚, 약 400㎚ 내지 약 1,000㎚, 약 400㎚ 내지 약 1,250㎚, 약 400㎚ 내지 약 1,500㎚, 약 400㎚ 내지 약 1,600㎚, 약 500㎚ 내지 약 750㎚, 약 500㎚ 내지 약 1,000㎚, 약 500㎚ 내지 약 1,250㎚, 약 500㎚ 내지 약 1,500㎚, 약 500㎚ 내지 약 1,600㎚, 약 750㎚ 내지 약 1,000㎚, 약 750㎚ 내지 약 1,250㎚, 약 750㎚ 내지 약 1,500㎚, 약 750㎚ 내지 약 1,600㎚, 약 1,000㎚ 내지 약 1,250㎚, 약 1,000㎚ 내지 약 1,500㎚, 약 1,000㎚ 내지 약 1,600㎚, 약 1,250㎚ 내지 약 1,500㎚, 약 1,250㎚ 내지 약 1,600㎚, 또는 약 1,500㎚ 내지 약 1,600㎚의 평균 길이를 갖는 복수의 박편을 포함한다. 일부 실시예에서, 상기 박리된 2D 물질은 약 50㎚, 약 100㎚, 약 200㎚, 약 300㎚, 약 400㎚, 약 500㎚, 약 750㎚, 약 1,000㎚, 약 1,250㎚, 약 1,500㎚, 또는 약 1,600㎚의 평균 길이를 갖는 복수의 박편을 포함한다.
일부 실시예에서, 상기 박리된 2D 물질의 원심 분리는 약 700 rpm (revolution per minute) 내지 약 4,000 rpm의 율로 수행된다. 일부 실시예에서, 상기 원심 분리는 적어도 약 700 rpm의 율로 수행된다. 일부 실시예에서, 상기 원심 분리는 기껏 약 4,000 rpm의 율로 수행된다. 일부 실시예에서, 상기 원심 분리는 약 700 rpm 내지 약 800 rpm, 약 700 rpm 내지 약 1,000 rpm, 약 700 rpm 내지 약 1,200 rpm, 약 700 rpm 내지 약 1,400 rpm, 약 700 rpm 내지 약 1,600 rpm, 약 700 rpm 내지 약 1,800 rpm, 약 700 rpm 내지 약 2,000 rpm, 약 700 rpm 내지 약 2,500 rpm, 약 700 rpm 내지 약 3,000 rpm, 약 700 rpm 내지 약 3,500 rpm, 약 700 rpm 내지 약 4,000 rpm, 약 800 rpm 내지 약 1,000 rpm, 약 800 rpm 내지 약 1,200 rpm, 약 800 rpm 내지 약 1,400 rpm, 약 800 rpm 내지 약 1,600 rpm, 약 800 rpm 내지 약 1,800 rpm, 약 800 rpm 내지 약 2,000 rpm, 약 800 rpm 내지 약 2,500 rpm, 약 800 rpm 내지 약 3,000 rpm, 약 800 rpm 내지 약 3,500 rpm, 약 800 rpm 내지 약 4,000 rpm, 약 1,000 rpm 내지 약 1,200 rpm, 약 1,000 rpm 내지 약 1,400 rpm, 약 1,000 rpm 내지 약 1,600 rpm, 약 1,000 rpm 내지 약 1,800 rpm, 약 1,000 rpm 내지 약 2,000 rpm, 약 1,000 rpm 내지 약 2,500 rpm, 약 1,000 rpm 내지 약 3,000 rpm, 약 1,000 rpm 내지 약 3,500 rpm, 약 1,000 rpm 내지 약 4,000 rpm, 약 1,200 rpm 내지 약 1,400 rpm, 약 1,200 rpm 내지 약 1,600 rpm, 약 1,200 rpm 내지 약 1,800 rpm, 약 1,200 rpm 내지 약 2,000 rpm, 약 1,200 rpm 내지 약 2,500 rpm, 약 1,200 rpm 내지 약 3,000 rpm, 약 1,200 rpm 내지 약 3,500 rpm, 약 1,200 rpm 내지 약 4,000 rpm, 약 1,400 rpm 내지 약 1,600 rpm, 약 1,400 rpm 내지 약 1,800 rpm, 약 1,400 rpm 내지 약 2,000 rpm, 약 1,400 rpm 내지 약 2,500 rpm, 약 1,400 rpm 내지 약 3,000 rpm, 약 1,400 rpm 내지 약 3,500 rpm, 약 1,400 rpm 내지 약 4,000 rpm, 약 1,600 rpm 내지 약 1,800 rpm, 약 1,600 rpm 내지 약 2,000 rpm, 약 1,600 rpm 내지 약 2,500 rpm, 약 1,600 rpm 내지 약 3,000 rpm, 약 1,600 rpm 내지 약 3,500 rpm, 약 1,600 rpm 내지 약 4,000 rpm, 약 1,800 rpm 내지 약 2,000 rpm, 약 1,800 rpm 내지 약 2,500 rpm, 약 1,800 rpm 내지 약 3,000 rpm, 약 1,800 rpm 내지 약 3,500 rpm, 약 1,800 rpm 내지 약 4,000 rpm, 약 2,000 rpm 내지 약 2,500 rpm, 약 2,000 rpm 내지 약 3,000 rpm, 약 2,000 rpm 내지 약 3,500 rpm, 약 2,000 rpm 내지 약 4,000 rpm, 약 2,500 rpm 내지 약 3,000 rpm, 약 2,500 rpm 내지 약 3,500 rpm, 약 2,500 rpm 내지 약 4,000 rpm, 약 3,000 rpm 내지 약 3,500 rpm, 약 3,000 rpm 내지 약 4,000 rpm, 또는 약 3,500 rpm 내지 약 4,000 rpm의 율로 수행된다. 일부 실시예에서, 상기 원심 분리는 약 700 rpm, 약 800 rpm, 약 1,000 rpm, 약 1,200 rpm, 약 1,400 rpm, 약 1,600 rpm, 약 1,800 rpm, 약 2,000 rpm, 약 2,500 rpm, 약 3,000 rpm, 약 3,500 rpm, 또는 약 4,000 rpm의 율로 수행된다.
일부 실시예에서, 상기 박리된 2D 물질의 원심 분리는 약 2분 내지 약 180분의 시간 기간 동안 수행된다. 일부 실시예에서, 상기 원심 분리는 적어도 약 2분의 시간 기간 동안 수행된다. 일부 실시예에서, 상기 원심 분리는 기껏 약 180분의 시간 기간 동안 수행된다. 일부 실시예에서, 상기 원심 분리는 약 2분 내지 약 5분, 약 2분 내지 약 10분, 약 2분 내지 약 25분, 약 2분 내지 약 50분, 약 2분 내지 약 75분, 약 2분 내지 약 100분, 약 2분 내지 약 125분, 약 2분 내지 약 150분, 약 2분 내지 약 180분, 약 5분 내지 약 10분, 약 5분 내지 약 25분, 약 5분 내지 약 50분, 약 5분 내지 약 75분, 약 5분 내지 약 100분, 약 5분 내지 약 125분, 약 5분 내지 약 150분, 약 5분 내지 약 180분, 약 10분 내지 약 25분, 약 10분 내지 약 50분, 약 10분 내지 약 75분, 약 10분 내지 약 100분, 약 10분 내지 약 125분, 약 10분 내지 약 150분, 약 10분 내지 약 180분, 약 25분 내지 약 50분, 약 25분 내지 약 75분, 약 25분 내지 약 100분, 약 25분 내지 약 125분, 약 25분 내지 약 150분, 약 25분 내지 약 180분, 약 50분 내지 약 75분, 약 50분 내지 약 100분, 약 50분 내지 약 125분, 약 50분 내지 약 150분, 약 50분 내지 약 180분, 약 75분 내지 약 100분, 약 75분 내지 약 125분, 약 75분 내지 약 150분, 약 75분 내지 약 180분, 약 100분 내지 약 125분, 약 100분 내지 약 150분, 약 100분 내지 약 180분, 약 125분 내지 약 150분, 약 125분 내지 약 180분, 또는 약 150분 내지 약 180분의 시간 기간 동안 수행된다. 일부 실시예에서, 상기 원심 분리는 약 2분, 약 5분, 약 10분, 약 25분, 약 50분, 약 75분, 약 100분, 약 125분, 약 150분, 또는 약 180분의 시간 기간 동안 수행된다.
본 명세서에 포함되어 본 명세서의 일부를 형성하는 첨부된 도면은 본 발명의 몇몇 양태를 예시하고, 본 상세한 설명과 함께 본 발명의 원리를 설명하는 역할을 한다.
도 1은 수렴-발산 채널을 통과하는 2차원(2D) 층상화된 물질을 박리시키는 것을 나타내는 도면;
도 2는 초음속으로 오리피스를 통과하는 2D 층상화된 물질을 박리시키는 것을 나타내는 도면;
도 3a는 니들 밸브의 예시적인 다이어그램을 도시하는 도면;
도 3b는 밸브 스템 및 흐름 채널의 예시적인 다이어그램을 도시하는 도면;
도 3c는 밸브 스템의 상세도를 예시적으로 도시하는 다이어그램;
도 4는 고압 흐름이 압축되고 팽창되는 것에 의해 2D 층상화된 물질을 박리시키는 예시적인 장치를 도시하는 도면;
도 5는 흐름이 압축되고 팽창되기 위한 예시적인 용기 밸브 장치의 내부 메커니즘을 도시하는 도면;
도 6은 연속 흐름 박리(CFE) 공정에서 2D 나노물질 수집 장치의 구성 및 효율을 나타내는 도면;
도 7a는 흐름 채널에서 예시적인 전산 유체 역학(computational fluid dynamics: CFD) 속도 표면 플롯을 도시하는 도면;
도 7b는 환형 오리피스에서 예시적인 CFD 상세 속도 표면 플롯을 도시하는 도면;
도 8a는 1.4 메가파스칼(㎫)의 상류 압력에서 흐름 채널에서 예시적인 CFD 전단 속도 표면 플롯을 나타내는 도면;
도 8b는 2.8㎫의 상류 압력에서 흐름 채널에서 예시적인 CFD 전단 속도 표면 플롯을 나타내는 도면;
도 8c는 5.5㎫의 상류 압력에서 흐름 채널의 예시적인 CFD 전단 속도 표면 플롯을 나타내는 도면;
도 8d는 14㎫의 상류 압력에서 흐름 채널에서 예시적인 CFD 전단 속도 표면 플롯을 나타내는 도면;
도 9a는 5.5㎫의 상류 압력 및 0.1 밀리미터(㎜)의 갭에서 흐름 채널에서 질화붕소(BN)의 예시적인 CFD 속도 표면 플롯을 나타내는 도면;
도 9b는 5.5㎫의 상류 압력 및 0.1㎜의 갭에서 흐름 채널에서 BN의 최소 단면에서의 전단 속도의 예시적인 라인 스캔 프로파일을 도시하는 도면;
도 10a는 질화붕소의 CFE 및 액상 박리(liquid-phase exfoliation: LPE)의 현탁액에 대한 예시적인 자외선-가시광선 분광 광도법(spectrophotometry)(UV-Vis) 스펙트럼을 도시하는 도면;
도 10b는 흑연의 CFE 및 LPE 박리의 현탁액에 대한 예시적인 UV-Vis 스펙트럼을 도시하는 도면;
도 10c는 이황화몰리브덴의 CFE 및 LPE 박리의 현탁액에 대한 예시적인 UV-Vis 스펙트럼을 도시하는 도면;
도 10d는 질화붕소의 CFE 및 LPE 박리의 현탁액에 대한 예시적인 라만(Raman) 스펙트럼을 도시하는 도면;
도 10e는 흑연의 CFE 및 LPE 박리의 현탁액에 대한 예시적인 라만 스펙트럼을 도시하는 도면;
도 10f는 이황화몰리브덴의 CFE 및 LPE 박리의 현탁액에 대한 예시적인 라만 스펙트럼을 도시하는 도면;
도 11a는 CFE 후 최종 BN 농도에 대한 초기 BN 농도의 예시적인 영향을 나타내는 그래프를 도시하는 도면;
도 11b는 CFE 후 최종 BN 농도에 대한 상류 가스 압력의 예시적인 영향을 나타내는 그래프를 도시하는 도면;
도 11c는 CFE 후 최종 BN 농도에 대한 흐름 기하 구조의 예시적인 영향을 나타내는 그래프를 도시하는 도면;
도 11d는 CFE 후 최종 BN 농도에 대한 운반 가스의 예시적인 영향을 나타내는 그래프를 도시하는 도면;
도 12a는 5.5㎫의 추진 압력 하에서 예시적인 CFE 처리된 BN의 두께의 히스토그램을 도시하는 도면;
도 12b는 5.5㎫의 추진 압력 하에서 예시적인 CFE 처리된 BN의 길이의 히스토그램을 도시하는 도면;
도 12c는 10㎫의 추진 압력 하에서 예시적인 CFE 처리된 BN의 두께의 히스토그램을 도시하는 도면;
도 12d는 10㎫의 추진 압력 하에서 예시적인 CFE 처리된 BN의 길이의 히스토그램을 도시하는 도면;
도 13a는 높이 프로파일 및 두께 분포를 나타내는 인셋(inset)을 갖는 CFE 후 분리된 BN 박편(flake)의 예시적인 원자 힘 현미경(atomic force microscopy) 스캔 이미지를 도시하는 도면;
도 13b는 CFE에 의해 생성된 BN 2D 물질의 회절 패턴의 예시적인 투과 전자 현미경(transmission electron microscopy: TEM) 이미지를 도시하는 도면;
도 13c는 CFE에 의해 생성된 흑연 2D 물질의 회절 패턴의 예시적인 TEM 이미지를 도시하는 도면;
도 13d는 CFE에 의해 생성된 이황화몰리브덴 2D 물질의 회절 패턴의 예시적인 TEM 이미지를 도시하는 도면;
도 14a는 모아레 영역(
Figure pct00003
region)을 갖는 재-적층된 BN 나노시트(nanosheet)의 제1 예시적인 TEM 이미지를 도시하는 도면;
도 14b는 모아레 영역을 갖는 재-적층된 BN 나노시트의 제2 예시적인 TEM 이미지를 도시하는 도면;
도 14c는 모아레 영역을 갖는 재-적층된 BN 나노시트의 제3 예시적인 TEM 이미지를 도시하는 도면;
도 15a는 CFE 처리된 BN의 예시적인 TEM 이미지를 도시하는 도면;
도 15b는 CFE 처리된 그래핀의 예시적인 TEM 이미지를 도시하는 도면;
도 15c는 CFE 처리된 이황화몰리브덴의 예시적인 TEM 이미지를 도시하는 도면;
도 15d는 LPE 처리된 BN의 예시적인 TEM 이미지를 도시하는 도면;
도 15e는 LPE 처리된 그래핀의 예시적인 TEM 이미지를 도시하는 도면;
도 15f는 LPE 처리된 이황화몰리브덴의 예시적인 TEM 이미지를 도시하는 도면;
도 16a는 고압 유체 흐름에 의해 처리된 BN의 예시적인 콜로이드 분산(colloidal dispersion) 이미지를 도시하는 도면;
도 16b는 고압 유체 흐름에 의해 처리된 다양한 에탄올 대조군에서 BN의 예시적인 콜로이드 분산 이미지를 도시하는 도면;
도 17a는 원심 분리 후 BN의 박리된 현탁액의 예시적인 이미지를 도시하는 도면;
도 17b는 원심 분리 후 그래핀의 박리된 현탁액의 예시적인 이미지를 도시하는 도면;
도 17c는 원심 분리 후 이황화몰리브덴의 박리된 현탁액의 예시적인 이미지를 도시하는 도면; 및
도 18은 CFE 공정에서 2D 나노물질을 수집하기 위한 예시적인 장치를 도시하는 도면.
이 기술 분야에 통상의 지식을 가진 자라면, 첨부된 도면과 관련하여 이하 상세한 설명을 읽은 후에 본 발명의 범위를 이해하고 그 추가 양태를 구현할 수 있을 것이다.
제1, 제2 등과 같은 용어가 본 명세서에서 다양한 요소를 설명하기 위해 사용될 수 있지만, 이들 요소는 이들 용어에 의해 제한되어서는 안 되는 것으로 이해된다. 이들 용어는 하나의 요소를 다른 요소와 구별하기 위해서만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 범위를 벗어나지 않고, 제1 요소는 제2 요소로 지칭될 수 있고, 마찬가지로, 제2 요소는 제1 요소로 지칭될 수 있다. 본 명세서에 사용된 바와 같이, "및/또는"이라는 용어는 관련된 열거 항목 중 하나 이상의 항목 중 임의의 항목의 조합 및 모든 항목의 조합을 포함한다.
층, 영역 또는 기판과 같은 요소가 다른 요소 "상에" 있거나 "위로" 연장되는 것으로 언급될 때, 이 요소는 다른 요소 바로 위에 있거나 또는 바로 위로 연장되거나 또는 개재하는 요소가 또한 존재할 수 있는 것으로 이해된다. 이와 달리, 하나의 요소가 다른 요소 "바로 위에" 있거나 "바로 위로" 연장되는 것으로 언급될 때, 여기에는 개재하는 요소가 존재하지 않는다. 마찬가지로, 층, 영역 또는 기판과 같은 요소가 다른 요소 "위에" 있거나 또는 "위로" 연장되는 것으로 언급될 때, 이 요소는 다른 요소 바로 위에 있거나 바로 위로 연장될 수 있고 또는 개재하는 요소가 또한 존재할 수 있는 것으로 이해된다. 이와 달리, 하나의 요소가 다른 요소 "바로 위에" 있거나 "바로 위로" 연장되는 것으로 언급될 때, 개재하는 요소는 존재하지 않는다. 또한, 하나의 요소가 다른 요소에 "연결된" 또는 "결합된" 것으로 언급될 때, 이 요소는 다른 요소에 바로 연결되거나 바로 결합될 수 있고 또는 개재하는 요소가 존재할 수 있는 것으로 이해된다. 이와 달리, 하나의 요소가 다른 요소에 "바로 연결된" 또는 "바로 결합된" 것으로 언급될 때, 개재하는 요소는 존재하지 않는다.
"아래" 또는 "위" 또는 "상부" 또는 "하부" 또는 "수평" 또는 "수직"과 같은 상대적인 용어는 본 명세서에서 도면에 도시된 하나의 요소, 층 또는 영역과 다른 요소, 층 또는 영역의 관계를 설명하는데 사용될 수 있다. 이들 용어 및 위에서 논의된 용어는 도면에 도시된 배향에 더하여 장치의 상이한 배향을 포함하는 것으로 의도된 것으로 이해된다.
본 명세서에서 사용된 용어는 단지 특정 실시예를 설명하기 위한 것일 뿐, 본 발명을 제한하려고 의도된 것이 아니다. 본 명세서에서 사용된 단수형 요소 및 "상기" 요소는, 문맥 상 달리 지시되지 않는 한, 복수 형태를 포함하는 것으로 의도된다. 본 명세서에서 사용된, "포함하고", "포함하는", "구비하고" 및/또는 "갖는"이라는 용어는 제시된 특징, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 구성 요소가 존재하는 것을 나타내지만, 하나 이상의 다른 특징, 정수, 단계, 동작, 요소, 구성 요소 및/또는 이들의 그룹이 존재하거나 또는 추가되는 것을 배제하지 않는 것으로 더 이해된다.
달리 한정되지 않는 한, 본 명세서에서 사용된 (기술적 용어 및 과학적 용어를 포함하는) 모든 용어는 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 일반적으로 이해되는 것과 같은 의미를 갖는다. 또한, 본 명세서에서 사용된 용어는 본 명세서 및 관련 기술의 상황에서 의미하는 바와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하고, 본 명세서에 명시적으로 그렇게 한정되지 않는 한, 이상적이거나 지나치게 형식적인 의미로 해석되어서는 안 되는 것으로 이해된다.
전단 박리된 2D 층상화된 물질을 형성하는 방법
본 발명은 압축성 가스의 고압 흐름이 압축되고 팽창되는 것에 의해 2D 물질의 넓은 어레이를 박리시키는 간단하고 연속적인 방법에 관한 것이다. 화학적 인터칼레이션 또는 초음파 처리와 같은 2D 층상화된 물질을 박리시키는 다른 방법과는 달리, 본 발명의 방법은 고압 가스의 흐름이 물리적으로 압축되고 팽창되는 것에만 의존하여 2D 층상화된 물질에 결함이 생기는 것을 감소시킨다. 이 방법은 질소, 헬륨 또는 압축 공기와 같은 불활성 또는 양성 가스(benign gas)를 사용함으로써 환경 친화적인 공정으로 사용될 수 있다.
또한, 다른 일괄 공정과는 달리, 본 명세서에서 개시된 방법은 운반 가스와 2D 층상화된 물질의 혼합물을 연속적으로 공급하는 것에 의존하여, 연속적인 방법을 대량 생산에 적합하게 만든다. 단일 층의 2D 물질의 박리(수율 및 효율)를 제어하는 중요한 파라미터는 운반 가스 흐름 전단, 흐름 압축 및 팽창, 및 흐름 압력 충격파이고, 이들은 수렴 및 발산 채널 프로파일 및/또는 좁은 오리피스 또는 튜브를 통해 물질을 흐르게 함으로써 쉽게 달성된다. 이 프로파일과 흐름이 압축되고 팽창되는 것은 압축성 가스의 흐름에 공통적이고, 이는 드라발 노즐, 오리피스, 유체 분사기, 일정 면적의 덕트 또는 터빈의 압축기 블레이드와 같은 장치에 의해 제어되거나, 또는 부분적으로 또는 완전히 개방되는 밸브 및 다른 부속품과 같은 방법에 의해 의도적으로 제어될 수 있다. 이산화탄소, 질소, 헬륨, 아르곤 및 압축 공기와 같은 다양한 가스가 2D 층상화된 물질을 효과적으로 박리하는 데 사용될 수 있다. 본 방법은 박리된 2D 층상화된 물질을 연속적으로 대량 생산하기 위한 개선된 공정을 제공한다.
2D 물질을 준비하는 것은 상향식(bottom-up) 또는 하향식(top-down) 방식으로 분류될 수 있다. 상향식 방식은 다양한 화학 전구체 또는 소스를 기판 위로 증착시키는 것으로부터 2D 물질을 구성한다. 이 방식의 공통 방법은 화학적 기상 증착 및 물리적 기상 증착을 포함한다. 나노물질의 두께, 조성 및 구조적 동질성은 제어하기 쉽고, 합성된 물질이 고품질이어서, 이들 방법을 고감도의 전자 디바이스를 제조하는데 적합하게 한다. 그러나 상향식 방식의 주요 제한 사항은 물질 처리량이 낮고 진공 환경에서 운영 비용이 높은 것으로 인해 기판 간섭 영향과 제한된 공정 확장성이다.
이와 달리, 하향식 방식은 벌크 2D 물질을 하나 이상의 층으로 분리 또는 박리한다. 이 방식은 처리량이 더 높고 이에 따라 확장성이 더 높아서, 이온 인터칼레이션, 액상 박리, 마이크로 역학적 벽개(cleavage)(즉, 셀로판 테이프 방법), 및 흑연 산화물을 환원시키는 것으로부터 그래핀을 대규모로 생산하는데 일반적으로 사용되는, 대중적인 산화 환원 기반 허머(Hummer) 방법과 같은 방법에 의해 수행될 수 있다.
초음파 기반의 액상 박리 기술은 층 분리를 보조하는 높은 전단 속도를 생성하기 위해 액체에서 난류 흐름을 사용한다. 이러한 전단 속도는 회전자-고정자 갭이 100 마이크로미터(㎛) 정도인 믹서 및 혼합기에서 쉽게 달성될 수 있다. 높은 전단 속도(약 108 s-1)를 갖는 난류 흐름 조건에서 마이크로 유체화(microfluidization)는 원심 분리에 의한 크기 분리를 요구함이 없이 100% 박리를 초래한다. 마이크로 유체화는 최대 100 사이클의 반복 사이클 동안 고압(최대 200 메가 파스칼[㎫])을 사용하여 작은 오리피스(100 ㎛)를 통해 계면 활성제로 흑연이 안정화된 액상 현탁액을 통과시키는 것을 포함한다. 이 공정의 장점은 수율이 높고, 크기 분리 요건이 없는 것은 시간 기반 처리, 표면 특성 개질 계면 활성제의 사용, 및 최종 생성물의 넓은 다분산(poly-dispersity)으로 상쇄될 수 있다.
이름이 암시하듯이, 2D 층상화된 나노물질 합성의 하향식 방법은 층을 분리하는 것을 돕기 위해 초임계 유체를 포함하는 고압 가스의 사용을 요구한다. 지금까지 가스상 박리 연구의 대부분은 가스 매체로서 초임계 이산화탄소(sCO2)를 사용해 왔다. sCO2는 낮은 표면 장력과 높은 밀도를 나타내므로, 이것은 2D 층상화된 물질을 확산시키는 데 사용될 수 있다.
고압에서는 2D 벌크 결정(bulk crystal) 층들 사이에 가스 분자를 확산시키는 충분한 추진력이 존재한다. 일부 실시예에서, 확산 시간은 시스템의 온도를 증가시킴으로써 수 분 정도로 단축될 수 있다. 이어서 확산 시간과 온도를 적절히 처리하면, 압력이 급격히 방출되어 층들 사이의 가스 분자가 팽창되어 고압 차에 의해 층 분리가 추진된다. 많은 겔 중합체 전해질 공정은 가스 인터칼레이션으로서 벌크 처리를 요구하고, 완료되는데 특정 최소 시간을 요구한다. 일부 공정에서, 가스 확산이 완료되면 기계적 교반/전단, 초음파 또는 계면 활성제 흡수의 형태로 일부 시간 기반 자극이 층상화된 결정을 교란시키는데 필요하다.
압축성 가스가 초음속으로 흐르는 것으로 인해 전단에 의해 야기된 박리된 2D 물질을 형성하는 연속적이고 높은 처리량의 제조 방법이 본 명세서에 제공된다. 본 명세서에서 제공된 방법에서, 2D 층상화된 물질의 양은 임의의 시간 기반 처리를 요구하지 않으면서 고압 가스를 사용하여 작은 오리피스를 통해 급격히 강제된다. 전단 기반 박리는 고속으로 인해 가스가 미세 오리피스에서 벽과 마찰되는 효과와 함께 팽창되고 가속되는 것이 작은 오리피스에서 달성되어 2D 층상화된 입자가 높은 전단 속도(
Figure pct00004
≥ 105 s- 1)를 경험하게 되는 것에 의해 발생한다. 본 방법의 다양성은 본 방법을 적용하여 상이한 2D 층상화된 물질(그래핀, MoS2 및 질화붕소)을 박리하고 본 명세서에서 제공된 방법이 사용된 운반 유체와 상관없이 유용하다는 것을 입증하는 것에 의해 입증된다.
본 발명은 압축성 고압 유체가 압축되고 팽창되는 것을 통해 다양한 2차원(2D) 층상화된 물질을 연속적으로 박리시키는 간단한 방법에 관한 것이다. c 축에서 약한 비-공유 결합을 특징으로 하는 임의의 2D 층상화된 물질은 이 방법에 의해 단일 층 및 소수 층의 시트 물질로 박리될 수 있다. 이 방법에서는 고압 하에 임의의 압축성 유체를 사용할 수 있다. 헬륨, 질소 가스, 초임계 이산화탄소 및 압축 공기와 같은 다양한 고압 유체를 사용하여 이황화몰리브덴(MoS2), 질화붕소(BN) 및 흑연을 포함하는 여러 2D 층상화된 물질을 박리시키는 것이 성공적으로 입증되었다.
본 명세서에 기술된 실시예에서, 2D 층상화된 물질의 임의의 양은 다른 전단 기반 및 가스 공정과 달리 박리 전에 2D 층상화된 물질을 고압 가스(들)에 의해 인터칼레이션하는 것과 같은 임의의 시간 기반 처리를 요구함이 없이 도 2에 따라 고압 가스를 사용하여 작은 오리피스를 통해 급격히 강제된다. 특히, 2D 층상화된 물질과 압축성 유체의 혼합물의 연속적인 흐름은 수렴-발산 노즐을 통과하여, 압축성 유체가 2D 층상화된 물질에 인터칼레이션하기 전에 2D 층상화된 물질을 박리시킨다. 2D 층상화된 물질을 박리시키는 것은 본 발명의 실시예의 동작 동안 2D 층상화된 물질을 인터칼레이션함이 없이 발생한다.
연속 흐름 박리(CFE) 방법은 가스 내에 현탁된 벌크 2D 층상화된 물질이 흐름 압축 채널(예를 들어, 작은 오리피스, 수렴 채널 또는 얇은 튜브)을 통과하고 나서 주위 환경으로 팽창되는 것이 허용되는 것을 수반한다. 적어도 하나의 예시적인 실시예에서, 2D 층상화된 물질은 가스의 연속 흐름으로 연속적으로 공급된다. 흐름 속도 및 팽창 압력은 신중하게 설계된 수렴 발산(드라발) 노즐 또는 오리피스와 같은 출구 채널을 적절히 설계하는 것을 통해 제어될 수 있다. 이 공정 동안, 가스 매체는 2D 입자를 박리시키는 높은 전단 속도 환경을 생성하는 데 필요한 초음속(마하 1 이상) 속도를 달성한다.
하나의 실험에서, 2D 층상화된 물질 0.1 그램(g)을 50 밀리리터(mL)의 고압 용기에 넣고 밀봉하였다. 200 내지 2000 파운드/평방인치(psi) 범위의 압력을 갖는 고압 유체를 용기 내로 방출하고, 유체 및 2D 물질의 혼합물이 유체를 압축 및 팽창시키도록 구성된 채널을 통해 흐르게 한다. 일 실시예에서, 압축은 압축성 유체의 2D 물질 혼합물을 연속적으로 흐르게 하고, 2D 층상화된 물질은 200 psi와 1100 psi 사이의 압력 하에 있게 한다. 다른 실시예에서, 압축은 압축성 유체의 2D 물질 혼합물을 연속적으로 흐르게 하고, 2D 층상화된 물질은 1100 psi 내지 2000 psi의 압력 하에 있게 한다. 이러한 특성을 갖는 채널은 수렴-발산 노즐(디퓨저) 또는 드라발 노즐의 경우와 같이 적절히 설계될 수 있고; 또는 유체 분사기, 밸브, 압축기 블레이드, 및 이러한 특성을 제공하는 다른 부속품과 같은 다양한 유체 역학 장치가 도입될 수 있다. 압축성 유체가 수렴-발산 채널을 통해 흐름에 따라, 흐름의 압력이 떨어지기 시작하고 흐름의 속도가 증가하는데, 여기서 아음속 흐름(sub-sonic flow)(마하 수(Mach number) < 1)은 채널의 가장 좁은 부분(목부)에서 최대이다. 그러나, 상류 측과 하류 측 사이의 압력차가 임계값을 초과하는 경우, 목부에서의 흐름 속도는 마하 수(초음속 흐름)에 도달하고, 흐름은 초크되었다(choked)고 언급한다. 이러한 초크된 흐름 조건 하에서, 유체의 속도는 매우 높아서, 서로 이격된 2D 층상화된 물질의 단일 층을 전단시키기에 충분한 에너지를 제공한다. 또한, 낮은 압력으로 인해 채널의 발산 구획에서 상당한 흐름 팽창이 발생하여, 단일 층의 2D 층상화된 물질이 분리되는 것을 도와준다. 심지어 또한 압력이 급격히 변하는 것으로 알려진 충격파(shock wave)가 채널의 발산 구획에서 발생하여, 단일 층의 2D 층상화된 물질이 분리되는 것을 도와준다. 수렴-발산 프로파일을 통과한 후, 분리된 2D 층상화된 물질을 포함하는 흐름은 적절한 용매를 사용하여 건조 상태 또는 습윤 상태에서 수집된다.
도 1은 수렴-발산 채널을 통과될 때 2D 층상화된 물질이 박리되는 것을 도시한다. 입자를 박리시키는 3가지 메커니즘은 다음과 같다: (1) 난류(레이놀즈 응력) 및 벽과의 마찰에 의한 속도 구배로 인한 유체 층 사이의 전단, (2) 초음속 흐름 동안 채널의 발산 부분 및 출구 부분에서 가스의 급격한 팽창을 일으키는 저압 구역, 및 (3) 초음속 흐름 동안 채널의 발산 부분 및 출구 부분에서 충격파에 의해 야기된 압력의 급격한 변화이다.
배출 공정(vent process) 동안 제어 인자는 제어 인자는 도 1에 도시된 바와 같이 흐름 입구와 출구 사이의 매우 높은 압력차를 달성하여 흐름이 수렴되고 발산될 때 2D 층상화된 물질이 매우 빠르게 흘러 전단되거나 팽창되도록 하는 것이다. 배출 공정의 또 다른 영향 인자는 흐름 제한 노즐 또는 채널 프로파일의 설계이다. 추출된 물질은 건조 상태에서와 같이 사용되거나 또는 이 추출된 물질은 안정한 콜로이드 용액을 형성하는 임의의 적절한 용매 위로 추출될 수 있다. 습윤 상태의 추출물을 원심 분리하면 비-박리된 벌크 제품으로부터 단일 또는 소수의 층상화된 2D 물질을 분리할 수 있다.
도 4는 고압 흐름이 압축되고 팽창되는 것에 의해 2D 층상화된 물질을 박리하는데 사용되는 장치를 도시한다. 도 5는 흐름이 압축되고 팽창되기 위한 수렴-발산 노즐로서 작용하는 용기 및 밸브 장치의 내부 메커니즘을 도시한다.
도 16a는 고압 유체 흐름에 의해 처리된 BN의 콜로이드 분산을 도시한다. 도 16b는 다양한 에탄올 대조군에서 BN의 콜로이드 분산을 도시한다. 2D 물질의 단일 층 또는 다층 적층은 입자에 의해 광이 산란되는 것에 기초하여 틴달 효과(Tyndall effect)를 관찰하는 것에 의해 확인된다. 좌측에서부터 우측으로 순서대로 흐르는 것에 의해 처리된 도 16a의 BN 샘플은 (i) 순수 에탄올; (ii) 헬륨(He) 처리, 2000 psi 저장조 압력, 0.1 밀리미터(㎜) 갭의 환형 오리피스; (iii) He 처리, 2000 psi 저장조 압력, 0.5㎜ 갭의 환형 오리피스, 및 (iv) He 처리, 2000 psi 저장조 압력, 6.4㎜ 채널 직경 튜브이다. 좌측에서부터 우측으로 순서대로 상이한 경쟁 방법에 의해 처리된 도 16b의 대조 샘플은 (i) 순수 에탄올, (ii) 임의의 흐름 없이(즉, 매우 느린 감압으로) 2000 psi에서 밤새도록(overnight) He 처리한 후 에탄올 중 BN, (iii) 3 시간 동안 교반하면서 에탄올 중 BN, 및 (iv) 3 시간 동안 초음파 처리된 에탄올 중 BN이다.
도 17a 내지 도 17c는 각각 BN, 그래핀 및 MoS2를 포함하는 박리된 2D 층상화된 나노물질의 예시적인 농축된 용액의 이미지를 도시한다. 질화붕소, 그래핀 및 MoS2는 CFE 기술을 사용하고 나서 원심 분리를 사용하여 생성된다. 현탁액 중의 나노입자로 인한 상당한 광 산란(틴달 효과)이 관찰된다.
일부 실시예에서, CFE 방법은 가스 중에 현탁된 벌크 2D 층상화된 물질이 흐름 압축 채널(예를 들어, 작은 오리피스, 수렴 채널 또는 얇은 튜브)을 통과하고 나서 주위 환경으로 팽창되는 것이 허용되는 것을 포함한다. 흐름 속도 및 팽창 압력은 신중하게 설계된 수렴-발산형(드라발) 노즐과 같은 출구 채널을 적절히 설계하는 것을 통해 제어될 수 있다. 이 공정 동안 가스 매체는 2D 입자 박리를 위한 높은 전단 속도 환경을 생성하는 데 필요한 초음속(마하 1 이상) 속도를 달성한다. 전형적인 CFE 실험에서, 0.1 내지 0.5g의 2D 층상화된 물질을 50 mL의 고압 용기에 채우고 밀봉하였다. 1.4 메가파스칼(㎫) 내지 14㎫(200 내지 2000 psi) 범위의 상류 (정체된) 압력을 갖는 고압 유체를 용기 내로 방출하고 운반 유체 및 2D 물질의 혼합물이 가스를 압축 및 팽창(가속)시킬 수 있는 좁은 채널 또는 오리피스를 통해 흐르게 하는 것이 허용된다. 부분적으로 열린 스웨이지록(Swagelok) 니들 밸브(SS-1KS4, Swagelok Corp.)는 조절 가능한 목부 거리를 갖는 환형 형상의 수렴 발산 노즐로서 사용될 수 있다. 부분적으로 개방될 (0.25 바퀴 회전될) 때, 밸브는 파라미터 연구로부터 박리하는데 충분한 0.1㎜의 환형 오리피스 갭을 갖는다.
일부 실시예에서, 채널을 통과한 후, 다상 제트(multiphase jet)는 50 내지 100 mL의 적절한 용매를 포함하는 대형 수집 병 또는 플라스크(flask) 내로 배출된다. 이전의 연구 및 경험으로부터, 적절한 용매는 BN에 대해서는 아이소프로판올이고 흑연 및 MoS2에 대해서는 N-메틸-2-피롤리돈이었다. 총 공정은 단지 약 2초간 지속되고, 가스를 소비하거나 용제를 증발시킬 염려가 없는 경우, 장시간(예를 들어, 연속 동작 동안) 연장될 수 있다. 수집 용기에 대한 분무 노즐의 배향은 보유 및 수율을 최대화하는데 중요하고, 최적의 구성은 도 6에 따라 용기 벽에 대해 접선 방향인 사이클론 흐름(cyclonic flow)이다.
일부 실시예에서, 2D 층상화된 물질을 포함하는 분무된 용액은 이후 벌크 및 다층 2D 물질을, 하향식 2D 물질 연구에서 공통적으로 사용되는 프로토콜인 단일 내지 소수의 층상화된 2D로 나노물질(상등액(supernatant))로 분리하기 위해 90분 동안 1400 rpm의 고속으로 원심 분리된다.
실험에서, 단일 내지 소수의 층상화된 2D 물질을 균등 분산하는 것은 초음파 처리의 도움과 함께 그리고 도움 없이 액상으로 박리하는 것에 의해 제조되었다. 일부 실시예에서, 0.1g의 벌크 2D 물질을 100 mL의 적절한 용매와 혼합하고, 3 시간 동안 수조(bath)에서 초음파 처리하였다. 원심 분리를 포함하여 액상 박리 현탁액을 처리하는 다른 모든 처리는 연속 흐름으로 박리하는 현탁액과 정확히 동일한 방식으로 수행될 수 있다.
전단 박리된 2D 층상화된 물질을 특성화하는 방법
실험에서, 도 18에 따라, 2D 층상화된 물질 0.1 내지 0.5g을 50 mL의 고압 용기에 채우고 밀봉하였다. 1.4㎫ 내지 14㎫ 범위의 상류 (정체) 압력을 갖는 고압 유체는 두 개의 특성 피크를 나타내는데, 즉 G 피크는 1차 면내(in-plane) 진동 모드(E2g)인 1580㎝-1에서 발생하고, 2D 피크는 2690㎝-1에서 발생한다. 벌크 흑연과 단일 층 그래핀의 라만 스펙트럼 간에는 몇 가지 차이점이 있으며, 가장 두드러진 차이점은 (i) G 피크에 비해 2D 피크의 세기의 증가(2배), (ii) 2D 피크의 적색 편이(red-shifting), (iii) 2D 피크의 대칭 정렬, 및 (iv) 2D 피크의 반치전폭(full-width half-maximum)의 감소이다. 이러한 모든 조건은 단일 층 그래핀의 존재를 확인하는 데 필요하지만, 이들 조건은 소수의 층의 그래핀을 분석하거나 가변적인 층 두께를 갖는 그래핀 분포의 스캔을 분석할 때 모두 존재하는 것은 아닐 수 있다. CFE 및 액상 박리(LPE) 처리된 시료에 대한 라만 스펙트럼을 벌크 흑연에 대한 스펙트럼과 비교하면 두 가지 주요 차이점이 나타나는데, 즉 약 22㎝-1의 상당한 적색 편이 및 2D 피크의 대칭 증가가 나타난다. 좁은 대칭 피크는 일반적으로 단일 층의 그래핀에만 국한되지만, 넓은 대칭 피크는 시트의 재-적층 또는 접힘으로 인해 AB 적층 장애(터보스트래틱 그래핀(turbostratic graphene))가 발생할 가능성이 있음을 나타낸다. 라만 스펙트럼으로부터 나타나는 이 두 개의 관찰을 함께 살펴보면, 연속적인 CFE 공정과 일괄 LPE 공정에 의해 처리된 후에 벌크 흑연 분말로부터 적어도 층 수 두께가 감소된 것을 나타낸다.
현탁액의 기준 파장의 흡수 및 농도는 비어-람베르트(Beer-Lambert) 법칙을 통해 계산되고,
A/ℓ = αC
이는 특정 거리(ℓ)에 걸쳐 매체에서 광 흡수율(A)이 흡수 입자(C)의 농도에 비례하는 것을 나타낸다. 비례 항은 특정 2D 층상화된 물질, 용매 및 파장에 고유한 흡광 계수(extinction coefficient)(α)이다. 분산 조건은 참조 조건을 모방했고 그리하여 문헌에서 이용 가능한 파장에 고유한 흡광 계수는 자외선-가시광선 분광 광도법(UV-vis)에 의해 농도를 분석하는데 사용될 수 있다. 또한, 정확한 농도는 중량 측정 수단을 사용하여 측정되었으며, UV-vis 광 산란(평균 오차 ≤5 %)을 사용하여 발견된 농도와 잘 일치하였다. 동일 조건 하에서, CFE의 본 명세서에서 제공된 방법은 각각 BN, 그래핀 및 MoS2에 대해 0.075, 0.028 및 0.026 mg/mL의 농도를 달성하였다. 이들 값은 각각 BN, 그래핀 및 MoS2에 대해 0.004, 0.020 및 0.008 mg/mL의 액상 박리를 사용하여 얻어진 대조 값과 유사하거나 이보다 훨씬 더 우수하다.
CFE 처리 및 원심 분리 후의 최종 생성물의 소수 층의 특성은 드롭 캐스트 2D 층 박편의 라만 분광 분석을 통해 분명하다. 도 10b는 BN에 대한 관련 대역폭에서 라만 방출 세기 스펙트럼을 도시하는 반면, 도 10e는 그래핀 및 MoS2의 스펙트럼을 포함한다. 모두 3개의 2D 층상화된 물질에 대한 스펙트럼 방출을 비교하면 문헌에서 이용 가능한 참조 정보에 비해 층 수가 감소된 것을 암시한다. 벌크 형태의 BN은 1366㎝-1에서 하나의 두드러진 E2g 포논(phonon) 모드 방출 피크로 구성된 스펙트럼을 나타낸다. 방출 피크는 층 수가 2 층 또는 소수의 층으로 감소함에 따라 1362 내지 1364㎝-1의 파수(wave number)로 점차적으로 적색 편이를 받는다. 마지막으로, 단일 층 BN이 얻어지면, 그 방출 피크는 1369㎝-1로 상당히 청색 편이되어, 그 벌크 방출 스펙트럼과 상당히 구별된다. CFE를 사용하여 처리된 BN에 대해 도 10d에 따라 획득된 라만 스펙트럼을 조사해서, 피크가 1362㎝-1로 상당한 적색 편이된 것을 나타내면, 처리 후 소수의 층 및 2 층의 BN이 상당히 존재한다는 것을 의미한다. 이와 달리, LPE 처리된 대조군은 상당한 피크 편이를 나타내지 않아서, 벌크 BN과 유사한 여러 층으로 여전히 구성된 구조를 나타내었다.
1500 내지 3000㎝-1의 파수 사이에 도 10e에 따라 벌크 흑연에 대한 라만 스펙트럼은 2개의 특성 피크를 나타내는데, 즉 G 피크는 1차 면내 진동 모드(E2g)인 1580㎝-1에서 발생하고, 2D 피크는 2690㎝-1에서 발생한다. 벌크 흑연과 단일 층의 그래핀의 라만 스펙트럼 간에는 몇 가지 차이점이 있으며, 가장 두드러진 차이점은 (i) G 피크에 비해 2D 피크의 세기의 증가(2배), (ii) 2D 피크의 적색 편이, (iii) 2D 피크의 대칭 정렬, 및 (iv) 2D 피크의 반치전폭의 감소이다. 이러한 모든 조건이 단일 층의 그래핀이 존재하는 것을 확인하는 데 필요하지만, 이들 조건은 소수의 층의 그래핀을 분석하거나 가변적인 층 두께를 갖는 그래핀 분포의 스캔을 분석할 때 모두 존재하는 것은 아닐 수 있다. CFE 및 LPE 처리된 시료에 대한 라만 스펙트럼을 벌크 흑연에 대한 스펙트럼과 비교하면 두 가지 주요 차이점이 나타나는데, 즉 약 22㎝-1의 상당한 적색 편이 및 2D 피크의 대칭이 증가하는 것이 나타난다. 좁은 대칭 피크는 단일 층의 그래핀에만 국한되지만, 여기서 넓은 대칭 피크를 관찰하면 시트의 재-적층 또는 접힘으로 인해 AB 적층 장애(터보스트래틱 그래핀)가 발생할 가능성이 있음을 나타낸다. 라만 스펙트럼으로부터 이러한 두 가지 관찰을 함께 살펴보면, 연속적인 CFE 공정과 일괄 LPE 공정에 의해 처리된 후에 벌크 흑연 분말로부터 적어도 층 수 두께가 감소된 것을 나타낸다.
CFE 및 LPE 처리 전후의 벌크 MoS2에 대한 스펙트럼이 도 10f에 도시되어 있다. 벌크 MoS2는 2개의 강한 1차 피크, 즉 E1 2g 및 A1g를 나타내고, 이들 피크의 상대적 위치는 존재하는 층 수와 강하게 상관되어 있다. 두 개의 1차 피크 사이의 피크 간(peak-to-peak) 파수의 거리는 633 나노미터(㎚) 여기 소스(excitation source)에 대해 약 26㎝-1이다. 이후 소수의 층과 단일 층 MoS2로 박리될 때 피크 간 거리는 점차적으로 19㎝-1만큼 작게 줄어든다. 이 연구에서 CFE를 사용하여 처리된 MoS2는 입자의 3 내지 4개의 층 두께에 대응하는 22.8㎝-1의 E1 2g 및 A1g 피크 간 거리를 갖는다. LPE 기술을 사용하여 처리된 MoS2는 또한 4개 이상의 층 두께에 대응하는, 24.0㎝-1의 피크 간 분리 거리로 지시된 바와 같이, 더 약한 효과에도 불구하고, 층 두께의 감소를 받는다.
BN 나노입자의 구조는 CFE 처리 후 원자 힘 현미경으로 특성화되었고, 대표적인 박편은 도 13a에 도시되어 있다. 예시적인 박편은 2㎚의 두께 및 350㎚의 폭을 가져서, 175의 종횡비를 제공한다. 0.335㎚의 층간 간격에서, 2㎚의 두께는 분리된 BN의 6개의 층에 대응한다. 다른 BN 입자를 다른 원자 힘 현미경으로 특성화하면, CFE 공정을 받을 때, 도 13a에 따라 입자 두께 분포 및 도 12d에 따라 길이를 나타낸다. 일반적으로 CFE의 추진 압력이 높으면 높을수록 박편 품질이 더 향상된다. 예를 들어, 5.5㎫에서 He 가스를 사용하여 생산된 BN은 도 12a 및 도 12b에 따라 5.7㎚의 평균 박편 두께 및 160㎚의 길이를 가져서, 28의 종횡비를 제공하는 반면; 10㎫의 압력에서 박편 두께 및 길이는 도 12c 및 도 12d에 따라 4.2㎚ 및 276㎚이어서, 66의 종횡비에 대응한다. 또한, 5.5㎫에서 처리된 박편의 약 27%는 3.35㎚ 미만의 두께(10개의 층 또는 소수의 층에 대응하는 두께)를 갖고, 이 비율은 10㎫의 더 높은 압력에서 43%로 증가한다.
투과 전자 현미경(TEM)에 의해 관찰될 때 CFE 처리된 BN, 흑연 및 MoS2의 구조는 도 13b 내지 도 13d에 도시되어 있다. 이들 입자의 크기는 전형적으로 100㎚ 내지 800㎚의 범위를 갖는데, 이는 BN에 대해서 13 마이크로미터의 출발 입자 크기 및 흑연과 MoS2에 대해서 1 ㎛의 출발 입자 크기에 비해 입자 크기가 감소된 것을 나타낸다. 이 입자들은 전자 투과성(electron transparency)으로 표시되는 바와 같이 충분히 얇다. 또한, 일부 박편은 단일 결정인 것으로 보이지만, 다른 박편은 그 전자 회절 패턴에 기초하여 다결정(polycrystalline)인 것으로 보인다(도 13b 내지 도 13d, 인셋). 다결정성은 도 14a 내지 도 14c에 따라 기저 평면(basal plane) 재배열(터보스트래틱성(turbostraticity))을 나타내고, BN의 TEM 동안 때때로 관찰되는 모아레 패턴의 다른 증거를 제공한다. 전단 처리 동안 개별 평면의 기계적 접힘 및 편이로부터 또는 현탁액으로부터 건조될 때 평면을 재-적층하는 동안 유사한 모아레 이미징 투영(imaging projection)이 관찰되었다. CFE 처리된 2D 나노물질의 다른 TEM 이미지가 그 LPE 대응물과 함께, 도 15a 내지 도 15f에 제공되어 있다. 두 공정 간에 형상 및 표면 토폴로지 특성에 명확한 차이가 있는 것이 분명하고, 예를 들어, 더 둥근 에지(edge)를 포함하는 도 15d에 따라 LPE 처리된 BN에 비해, 도 15a에 따라 CFE 처리된 BN에서 더 직선인 에지와 같은 차이가 있다. 더 직선인 에지는 시트 접힘으로부터 또는 결정 에지(crystalline edge)가 보존된 정도로부터 발생하며, 이들 둘 다는 결정 결함이 감소된 것을 나타낸다. 에지 결함은 전하 운반체 및 포논 산란에 기여하기 때문에 2D 층상화된 물질의 열적 및 전기적 특성에 불리할 수 있다. 에지 결함이 감소된 것 외에도, CFE 처리된 2D 층상화된 물질은 LPE 처리된 입자에 비해 더 적은 잔류 입자를 포함하여, 이것은 LPE 처리에서 연장된 시간에 걸쳐 초음파 처리 동안 받은 더 가혹한 조건으로 인한 것일 수 있다. 장시간(수 시간, 수 일) 동안 초음파 처리는 흑연, BN, MoS2와 같은 2D 층상화된 물질 및 탄소 나노튜브를 포함하는 많은 나노물질의 입자 크기의 감소를 포함하여 구조적 손상을 야기하는 것으로 알려져 있다. 잔류 입자는 도 15d 및 도 15f에 따라 LPE를 사용하여 처리된 BN 및 MoS2 입자에서 상당히 두드러지는 반면, 도 15a 및 도 15c에 따라 CFE 등가물에는 사실상 소규모 잔류물이 전혀 없다.
지금까지 제시된 물질 특성 결과는 CFE가 2D 나노물질 농도, 층 두께 및 구조적 결함 면에서 LPE의 비교되는 하향식 기술과 동일하거나 더 우수한 것을 나타낸다. 처리와 관련하여 LPE에 비해 CFE의 장점은 급격한/높은 처리량의 처리, 공정의 연속적인 특성, 및 LPE에서 잠재적으로 위험한 용매를 취급하는 대신 환경 친화적인 가스의 사용을 포함한다. 초음파 및 전단 기반 LPE 공정의 시간 기반 처리와 달리 CFE 공정은 미세 노즐/오리피스를 통해 2D 층상화된 물질이 급격히 한번 통과하는 것을 사용하여 처리한다. 최근에, 고압에서 미세 오리피스를 통해 비압축성 액체에서 계면 활성제에-현탁된 흑연을 강제하는 마이크로 유체화 기술은 흑연의 2D 나노시트를 생성하는데 효과적인 것으로 나타났다. 이 공정은 100% 수율을 달성하기 위해 강화 펌프(intensifier pump)와 오리피스를 통해 다수회 통과할 것을 필요로 했다. 후처리 원심 분리를 필요로 하지는 않지만 이 기술은 여전히 시간 의존적이고, 2D 물질의 계면 특성에 해로운 계면 활성제의 사용을 필요로 한다. 기존의 하향식 공정과 유사하게, CFE 및 마이크로 유체화는 층 분리를 야기하기 위해 입자에 전단력을 부여하는 것에 의존하지만, 출원인의 지식에 따르면 CFE는 공정 동안 박리된 입자를 현탁시키기 위해 가스상을 이용하면서 층 분리에 필요한 전단력을 생성하는 천음속 및 초음속을 달성하기 위해 고압 압축 가스에서 저장된 포텐셜 에너지를 이용하는 유일한 공정이다.
도 11a 내지 도 11d에 따라, 상류 가스 압력, 출발 BN 량, 처리 시간, 가스 유형 및 흐름 기하 구조와 같은 다양한 공정 파라미터의 영향이 정량화되었다. 초기 실험은 도 3a 내지 도 3c 및 도 5에 따라 스웨이지록 니들 밸브를 부분적으로 1/4 바퀴 열어서 갭 바로 앞의 수렴 부분과 갭 바로 뒤의 발산 부분과 함께 약 0.1㎜의 환형 갭을 생성하는 것으로 수행되었다. 다른 밸브 설정이 또한 실험되었는데, 개구가 더 크면 불충분한 전단으로 인해 공정 수율이 더 떨어지는 반면, 개구가 더 작으면 밸브가 막혀 흐름이 완전히 제한된다. 다양한 내부 직경(1.3, 2.1, 3.1, 3.8, 및 4.6㎜)을 갖는 일정 면적의 스테인레스 스틸 채널(30㎝ 길이)을 통한 흐름을 이용한 실험이 또한 CFE 처리 동안 전단력의 역할을 명확히 하기 위해 수행되었다. 얻어진 최종 농도에 대한 출발 2D 물질 분말 양의 영향은 도 11a에 도시되어 있다. 초기 농도는 가스 흐름에 공급되는 BN 분말의 양을 분무되는 액체 용매의 부피로 나눈 값으로 정의된다. 최종 농도는 원심 분리 및 건조 후 중량 측정값을 기준으로 한다. 흐름 기하 구조(밸브 또는 튜브)에 관계없이 초기 농도가 증가하면 공정 실행 시간이 단 2초 후에 최종 농도로 상승한다. 그러나 이 영향은, 더 높은 BN 로딩 양에서는, 특히 많이 패킹된 BN 분말로 막히기 때문에 흐름이 제한된 밸브에서는 제한된다. 도 11a에서 최종 농도와 초기 농도 사이의 비율은 CFE가 5% 내지 10%인 공정의 수율로서 해석될 수 있다. 이 수율은 대부분의 액상 공정보다 더 좋지는 않지만 유사하다. 그러나 상황에 따라 이 공정을 연속적으로 실행하면 물질 회수(recovery) 및 재순환을 통해 수율을 더 높일 수 있다.
최종 농도에 대한 정체 상류 압력의 영향이 도 11b에 도시되어 있다. 미세 오리피스를 통해 이 정체된 상류 압력에서 압축 가스가 팽창되는 것은 현탁된 2D 층상화된 물질을 전단시키는데 필요한 높은 속도에 기인한다. 도 11b는 가변적인 기하 형태인 니들 밸브 및 일정 단면을 갖는 직선 튜브 모두에 대한 이러한 영향을 도시한다. 0.04 mg/mL의 농도는 많은 소비자 등급의 공기 압축기의 동작 압력 내에 있는 1.4㎫(200 psi)만큼 낮은 압력에서 얻어질 수 있다. BN 분말 공급 원료가 밸브를 통해 강제될 때 압력이 증가하고 BN 나노물질의 최종 농도가 높아지면 공정에서 수율이 점차 개선된다. 테스트되는 최대 압력(11㎫)에서 0.2 mg/mL의 최대 농도가 달성된다. 이에 비해 직선인 튜브를 통해 강제될 때, 최종 농도는 초기에 상승하고, 5.5㎫ 이상의 압력에서 0.11 mg/mL로 평탄하다. 고압에서 이 평탄한 거동은 다양한 최종 농도에도 불구하고 모든 직선 튜브 형태에서 관찰되었다.
5.5㎫에서 직선 튜브 흐름 형태의 최종 농도에 대한 가변적인 내부 직경의 영향이 도 11c에 도시되어 있다. 튜브 직경이 증가함에 따라, 최종 농도가 급격히 증가하여 직경 2.1㎜ 및 0.11 mg/mL에서 피크에 도달하고 나서 점진적으로 감소한다. 0.5㎜와 0.1㎜의 더 작은 튜브 직경도 테스트되었지만 이들 튜브 직경은 테스트된 압력에서 흐름을 상당히 방해했다.
CFE에서 사용되는 다양한 가스의 영향이 도 11d에 요약되어 있다. 밸브 및 직선 튜브 형태를 통해 5.5㎫의 공통 압력에서 헬륨, 질소 및 이산화탄소를 테스트했다. 질소 가스(0.03 mg/mL)와 이산화탄소(0.03 mg/mL)가 운반 가스로 사용된 경우보다 밸브를 통해 흐르는 헬륨을 사용한 최종 농도가 상당히 더 우수했다(0.15 mg/mL). 직선 튜브 형태에 대해서도 유사한 동향이 관찰되었다. 아르곤, 더 무거운 단원자 가스, 및 압축 공기와 같은 다른 운반 가스, 가스 혼합물은 질소의 것에 대한 결과를 가졌고, 헬륨을 사용하여 얻어진 것보다 상당히 더 낮았다.
특정 압력차이 내에서, 수렴-발산 채널을 통과하는 압축성 유체는 질량 및 운동량의 보존에 기초하여 다음 미분 관계에 의해 지배되는 초음속을 달성한다:
Figure pct00005
(1)
여기서 dV/V는 유체의 순간 속도(V)의 상대 변화이고, dA/A는 흐름 채널 순간 면적의 상대적 변화이며, M은 음속(Vs)의 속도에 대한 속도(V)로 정의된 유체의 마하 수이다. 구체적으로 채널의 가장 좁은 "목부" 부분의 평균 흐름 속도(dA/A = 0)는 이 유체 내 음속과 동일하다. 채널 출구(발산 부분)의 설계에 따라 이는 목부를 빠져 나간 후 훨씬 더 높은 속도(초음속)를 달성할 수 있다. 이러한 속도의 증가는 수렴-발산 노즐의 발산 부분에서의 급격한 압력 강하(흐름 팽창)와 동시에 발생된다. 초음속 압축성 흐름의 이 단순한 그림(picture)과 전산 유체 역학의 도움을 사용하여, 부분적으로 개방된 니들 밸브를 통한 흐름의 기하학적 고유 특성과 관찰된 2D 물질 박리에 기인하는 메커니즘이 상세히 조사된다. 전산 유체 역학 시뮬레이션은, 니들 밸브의 공급자의 치수 비율에 따라 CAD 소프트웨어를 사용하여 도 3a 내지 도 3c 및 도 5에 따라 모델링된 2D 기하 구조를 갖는 콤솔 멀티피직스(COMSOL Multiphysics) v5.3(High Mach Number - Fluid Physics Model)에서 수행되었다. 흐름 시뮬레이션의 전형적인 결과는 부분 개방된 니들 밸브(0.1㎜ 갭)를 통해 흐르는 5.5㎫의 헬륨 가스의 전형적인 경우를 기술하는 도 7a, 도 7b, 도 8a 내지 도 8d, 도 9a 및 도 9b에 도시되어 있다. 다른 압력에서의 흐름 시뮬레이션은 도 7a 및 도 7b에 상세히 도시된다. 도 7a에 따라 속도 표면 플롯은 밸브가 관심 있는 압력 범위 내에서 초음속 흐름을 달성할 수 있는 조절 가능한 수렴-발산 노즐로서 작용함을 입증한다. 실온에서 헬륨 내 음속은 약 1000 미터/초(m/s)이고, 이는 잘 수립된 난류 흐름이 발생하고 있다는 것을 암시한다. 벽과 마찰되는 것에 더하여, 난류 흐름에서 경험되는 높은 전단 속도에 더 기여하는 것은 소용돌이를 확률적으로 생성하는 것을 통해 에너지를 소산하는 것으로 인해 국부적인 속도 프로파일이 갑자기 불규칙적으로 변하는 것에서 비롯된다. 짧은 범위에 걸쳐 이렇게 속도가 변하면 또한 도 9b에 따라 흐름 프로파일의 중심선에서 경험되는 높은 전단 속도를 야기할 수 있다. 직선 튜브 실험에서 채널 폭은 튜브의 내부 직경과 같고, 2D 층상화된 물질에 전단력을 부여하고 이후 최종 농도를 달성하는 두 부분의 효과를 갖는다. 도 11c로부터 4.6 ㎜의 출발 값으로부터 튜브 직경을 감소시키면 최종 농도를 개선시켜 이에 따라 CFE 공정의 전체 수율을 개선시키는 경향이 있음이 분명하다. 이 효과는 전단 속도 면에서 설명될 수 있는데, 여기서 동일한 속도에서 튜브 직경이 감소하면 전체 흐름 단면에 비해 벽(전단 속도가 높은 구역)의 분율(fraction)이 증가하기 때문에 흐름에 더 큰 전단 속도가 부여된다. 튜브 직경을 4.6㎜에서부터 2.1㎜로 거의 절반으로 줄이면 농도를 5.4배 향상된 0.11mg/mL로 증가시키는 효과가 있다. 그러나 튜브 직경을 1.3㎜로 더 줄이면 농도를 0.045 mg/mL로 심각하게 감소시키는 의도치 않은 효과가 있다. 이 직경에서, 흐름은 패노 흐름(Fanno flow)에 따라 초크된 조건을 달성하지 못했고, 출구 흐름 속도는 마하 1보다 상당히 더 작아진 것이 청각적으로 명백했다. 마찰 효과는 더 작은 튜브 직경에서 나타나는 경향이 있으며, 이로 인해 흐름 속도 및 그리하여 전단 속도가 상당히 낮아진다. 예를 들어, 마하 1에서 흐르는 헬륨의 튜브 직경이 2.1㎜에서부터 1.3㎜로 변하면 무디-콜레브룩(Moody-Colebrook) 관계에 따라 마찰 계수가 0.028에서부터 0.035로 증가한다. 또한, 감소된 직경은 흐름의 난류 특성을 낮출 수 있다.
CFE 공정에서 운반 가스의 변화에 대한 영향은 도 11d에 요약되어 있고 이는 헬륨에 의해 얻어진 최종 농도가 직선 튜브(Fanno flow) 및 밸브(수렴-발산 노즐 등엔트로피 흐름) 형태에서 질소 및 이산화탄소를 사용하는 것보다 거의 5배 더 우수한 것을 보여준다. 293K에서, 헬륨 내 음속은 대략 1000 m/s이지만, 질소와 이산화탄소의 경우 음속은 각각 350 m/s와 270 m/s에서 상당히 더 낮다. 이들 가스에 대해 제공된 초크된 흐름(마하 1)이 달성되고, 더 가볍고 더 빠른 가스인 헬륨은 다른 더 무거운 가스보다 충분히 더 높은 전단 속도를 부여한다. 수소 가스는 헬륨보다 더 가벼운 가스이고 더 높은 음속(1270 m/s)을 가지며 더 풍부하고 비용 효율적인 것으로 인해 2D 층상화된 물질을 박리시키는 더 나은 매체로 기능한다.
도 11b의 밸브 실험을 나타내지만 다양한 압력에서의 실험을 나타내는 다른 조건을 미세 오리피스를 통한 초음속 흐름에서 발생된 전단 속도에 대한 통찰력을 제공하기 위해 시뮬레이션하였는데; 이들 결과는 도 8a 내지 도 8d 및 도 9a에 나타내었다. 마지막으로 포화되기 전에 압력이 1.4로부터 2.8로 및 5.5㎫로 증가함에 따라 밸브의 전단 속도 분포가 진화하는 것을 볼 수 있다. 낮은 압력에서, 높은 전단 영역(
Figure pct00006
> 104 s- 1)은 밸브 내 수렴-발산 노즐의 발산 부분의 벽 근처에서만 존재한다. 흐름을 일으키는 상류 압력이 2.8㎫로 2배가 됨에 따라 수렴-발산 노즐 전체에 걸쳐 105 s-1 이상의 전단 속도가 발생한다. 또한 도 8c에 따라 5.5㎫로 압력을 2배로 증가시키면 수 개의 완전히 포화된 (
Figure pct00007
> 105 s-1) 높은 전단 영역의 면적이 증가한다. 압력이 더 증가해도 밸브 내 높은 전단 구역의 분포와 크기는 상당히 변치 않는다. 시뮬레이션에 의해 예측된 전단 구역의 진화는 도 11b에 따라 상류 압력에 대한 최종 농도의 실험적으로 관찰된 의존성과 직접적으로 상관된다. 압력이 1.4㎫에서부터 5.5㎫로 증가할 때 최종 농도는 0.04 mg/mL에서부터 0.15 mg/mL로 3배를 초과하여 증가한 후 11㎫에서 0.2 mg/mL로 천천히 증가한다.
초음속 흐름 및 변하는 면적 프로파일이 CFE에서 필수 요건이 아니라는 점을 지적하는 것이 중요하다. 오히려 전체 흐름 속도 및 흐름 채널 폭과 관련된 전단 속도가 상당히 중요하다. 2D 층상화된 물질을 전단시키는데 가스를 사용하는 장점은, 근거리에서 높은 속도로 가속되고 감속되어 2D 물질을 포함하는 임의의 현탁된 고형물에 높은 전단 속도를 부여하는데 이용될 수 있는 고유한 압축성이다. 아마도 이 효과의 가장 간단한 입증은 도 11b와 도 11c의 직선 튜브 실험 결과이다. 이 실험에서 흐름 프로파일은 알려진 마찰 계수를 갖는 일정한 면적의 덕트 내 압축성 가스의 단열 팽창을 기술하는 패노 흐름을 고려한다. 상당히 긴 길이의 덕트의 경우, 흐름 동안 가스가 팽창되면 질량 흐름률(mass flow rate)이 최대값으로 되고, 유속이 음속(마하 1)에 도달하는 초크된 흐름의 상태가 존재한다. 일단 초크된 흐름이 달성되면 상류 압력이 더 증가하지 않아도 속도가 더 빨라진다. 패노 흐름에 대한 이러한 이해는 도 11b의 직선 튜브를 사용하여 관찰된 최종 농도 및 5.5㎫ 이상의 압력에서 불변이 되는 방식과 잘 상관된다. 압력이 2배가 되더라도 이 직선 튜브에서는 음속보다 더 빠른 속도를 얻을 수 없고, 그리하여 다상 흐름이 경험하는 최대 전단 속도 및 전단 속도 분포는 변치 않게 유지된다.
속도와는 별도로, 흐름이 경험하는 전단 속도는 채널 폭을 고려하는 것에 의존한다. 벽에서의 마찰 효과(슬립(slip) 방지 조건)를 가정하면, 전단 속도는 벽에서 가장 높고 흐름의 중심에서 낮아야 한다. 이 간단한 설명을 복잡하게 하는 것은 속도 및 전단 속도 프로파일의 분석 표현이 존재하지 않는 경우와 같이 여기서 난류 흐름을 고려하는 것이다. 2.1㎜ 채널을 통해 마하 1에서 헬륨의 경우 - 유체의 속도(V), 채널 직경(D), 및 유체의 동점도(v)에 기초하여 층류-난류 흐름 분류를 특성화하는 - 레이놀즈 수(Re = VD/v)는 18000이고, 이는 난류-층류 흐름 경계(Re = 2300)보다 훨씬 더 위에 있다. 벽과의 마찰에 더하여, 난류 흐름에서 경험되는 높은 전단 속도에 더 기여하는 것은 소용돌이를 확률적으로 생성하는 것을 통해 에너지가 소산되는 것으로 인해 국부적 속도 프로파일이 갑자기 불규칙적으로 변하는 것에서 비롯된다. 짧은 범위에 걸쳐 이렇게 속도가 변하면 또한 도 9b에 따라 흐름 프로파일의 중심선에서 경험되는 더 높은 전단 속도를 발생시킨다. 직선 튜브 실험에서 채널 폭은 튜브의 내부 직경과 같고, 2D 층상화된 물질에 전단력을 부여하고 이후 최종 농도를 달성하는 데 2 부분 효과를 갖는다. 도 11c로부터 4.6 ㎜의 출발 값으로부터 튜브 직경을 감소시키면 최종 농도를 개선시켜 CFE 공정의 전체 수율을 개선시키는 경향이 있음이 분명하다. 이 효과는 동일한 속도에서 튜브 직경이 감소하면 전체 흐름 단면에 비해 벽(전단 속도가 높은 구역)의 분율이 증가하는 것으로 인해 흐름에 더 큰 전단 속도를 부여하는 전단 속도 면에서 설명될 수 있다. 튜브 직경을 4.6㎜에서부터 2.1㎜로 거의 절반으로 줄이면 농도를 5.4배 향상된 0.11 mg/mL로 증가시키는 효과가 있다. 그러나 튜브 직경을 1.3㎜로 더 줄이면 농도를 0.045 mg/mL로 심각하게 감소시키는 의도치 않은 효과가 있었다. 이 직경에서, 흐름은 패노 흐름에 따라 초크된 조건을 달성하지 못했고, 출구 흐름 속도가 마하 1보다 상당히 더 작다는 것이 청각적으로 명백했다. 마찰 효과는 더 작은 튜브 직경에서 나타나는 경향이 있으며, 이로 인해 흐름 속도 및 그리하여 전단 속도가 상당히 더 낮아진다. 예를 들어 마하 1에서 흐르는 헬륨의 튜브 직경이 2.1㎜에서부터 1.3㎜로 변하면 무디-콜레브룩 관계에 따라 마찰 계수가 0.028에서 0.035로 증가한다. 또한 직경이 감소하면 Re가 18000에서부터 11000으로 낮아져 흐름의 난류 특성이 감소한다.
CFE 및 LPE 처리 전후의 벌크 MoS2에 대한 스펙트럼이 도 10f에 도시되어 있다. 벌크 MoS2는 2개의 강한 1차 피크(E12g 및 A1g)를 나타내며, 그 상대적 위치는 존재하는 층의 수와 강하게 상관이 있다. 두 개의 1차 피크 사이의 피크 간 파수의 거리는 633㎚ 여기 소스에 대해 약 26㎝-1이다. 이후 소수의 층과 단일 층 MoS2로 박리될 때 피크 간 거리는 점차적으로 19㎝-1만큼 작게 줄어든다. 이 연구에서 CFE를 사용하여 처리된 MoS2는 MoS2 라만 시그니처의 상세한 설명에 따라 입자의 3 내지 4 층 두께에 대응하는 22.8㎝-1의 E12g와 A1g 피크 간 거리를 갖는다. LPE 기술을 사용하여 처리된 MoS2는 또한 4개 이상의 층의 층 두께에 대응하는 24.0㎝-1의 피크 간 분리 거리로 표시된, 약한 효과에도 불구하고 층 두께 감소를 받는다.
CFE의 본 명세서에서 제공된 방법은 다양한 2D 층상화된 물질의 매우 미세 콜로이드 현탁액을 생성하는데 효과적이다. 원심 분리 후 일부 샘플링 된 분무된 분산은 2D 층상화된 물질 BN, 흑연 및 MoS2에 대해 도 17c에 도시되어 있다. 0.1㎜ 환형 오리피스(Swagelok 밸브)를 통해 흐르는 운반 가스로서 14㎫의 헬륨을 가지고 CFE를 사용하여 모든 용액을 처리했지만, 다른 흐름 기하 구조, 가스 및 압력 조건이 가능하고 이후에 상세히 설명된다. CFE 공정은 용액을 통해 산란(틴달)되는 광범위한 레이저 광에 의해 지시된 원심 분리 과정 후에 콜로이드 2D 층상화된 입자를 고농도로 달성할 수 있었다. BN, 흑연 및 MoS2에 대한 UV-Vis 광 산란 프로파일은 도 10a, 도 10b 및 도 10c에 각각 도시되어 있고, 이는 CFE 공정을 통해 생성된 현탁액이 등가 LPE 대조 방법에 비해 광범위한 파장 스펙트럼에 걸쳐 상당히 더 많은 광을 흡수할 수 있었음을 보여준다. 여기서 CFE와 LPE의 두 가지 기술의 결과는, 농도를 높일 수 있으나 2D 물질 계면 특성을 저하시킬 수 있는 계면 활성제 또는 다른 표면 에너지 개질 화학 물질을 사용함이 없이 보고된 것이라는 점이 중요하다.
CFE 방법을 조사하기 위해 3가지 유형의 2D 층상화된 물질이 사용되었다. 첫째는, 1 내지 2 ㎛의 보고된 분말 크기를 갖는 (위스콘신 주 밀워키에 소재하는) 시그마 알드리치(Sigma Aldrich)사에 의해 제공되는 전기 전도성 층상화된 물질인 천연 흑연 박편이었다. 둘째, 토폴로지로 절연 특성을 갖는 전이 금속 디칼코게나이드인 MoS2는 1㎛의 보고된 분말 크기를 갖는 (위스콘신 주 밀워키에 소재하는) 알파 에이서(Alfa Aesar)사로부터 구입했다. 마지막으로, 육각형 BN, 절연 층상화된 화합물은, 13 ㎛의 보고된 크기를 갖는 (뉴욕 주 워터포트에 소재하는) 모멘티브(Momentive)사에 의해 제공되었다.
용어 및 정의
본 발명의 목적을 위해, 2D 층상화된 물질은 c 축에서 약한 비-공유 결합을 특징으로 하는 물질로서 정의된다.
본 발명의 목적을 위해, 수렴-발산 노즐은 입구와 출구를 포함하는 관으로서, 중간 부분을 압착해서 목부를 형성하여 조심스럽게 균형 잡힌 비대칭 모래 시계 형상을 하는 튜브이다. 이 노즐은 흐름의 열 에너지를 운동 에너지로 변환시킴으로써 튜브를 통과하는 고온 가압 가스를 축 방향 (추력) 방향으로 더 높은 초음속으로 가속시키는 데 사용된다.
본 발명의 목적을 위해, 원심 분리는, 고정된 축 주위로 물체를 회전시키는 (물체를 원으로 회전시키는) 단계, 및 유체를 필터링하는데 사용될 수 있는 스핀 축에 수직으로 (외측으로) 잠재적으로 강한 힘을 인가하는 단계를 포함한다.
본 명세서에 사용된 바와 같이, 달리 한정되지 않는 한, "약"이라는 용어는 제시된 값의 플러스 및/또는 마이너스 10% 내의 값의 범위를 나타낸다.
본 명세서에 사용된 바와 같이, 달리 한정되지 않는 한, "얇은 튜브"라는 용어는 2300을 초과하는 레이놀즈 수에서 층상화된 물질 및 압축성 유체의 흐름을 난류로 할 수 있는 튜브를 나타낸다.
대안적인 실시예
본 명세서에서 제공되는 실시예는 박리된 2차원(2D) 물질을 연속적으로 제조하는 방법으로서, 2D 층상화된 물질 및 압축성 유체를 통과시키는 것을 포함하는 2D 물질 혼합물을 제공하는 단계; 상기 2D 물질 혼합물의 연속 흐름을 압축하는 단계; 및 수렴-발산 노즐을 통해 상기 2D 층상화된 물질을 박리시키기 위해 상기 2D 혼합물의 연속적인 흐름을 팽창시키는 단계를 포함하는, 상기 박리된 2차원(2D) 물질을 연속적으로 제조하는 방법이다.
일부 실시예에서, 상기 방법은 2D 물질 혼합물의 연속적인 흐름이 200 파운드/평방인치(psi) 내지 2000 psi의 압력 하에 있게 한다. 일부 실시예에서, 압축은 2D 물질 혼합물의 연속적인 흐름이 200 psi와 1100 psi 사이의 압력 하에 있게 한다. 일부 실시예에서, 압축은 2D 물질 혼합물의 연속 흐름이 1100 psi와 2000 psi 사이의 압력 하에 있게 한다. 일부 실시예에서, 팽창은 2D 물질 혼합물의 연속적인 흐름이 초음속에 도달하게 한다. 일부 실시예에서, 2D 물질의 연속적인 흐름은 수렴-발산 채널을 통과된다. 박리된 2D 물질을 연속적으로 제조하는 방법에서, 2D 물질의 연속적인 흐름은 수렴-발산 채널의 수렴 부분을 통과하면서 아음속(subsonic speed)으로 흐르고, 수렴-발산 채널의 발산 부분을 통과하면서 초음속으로 흐른다. 박리된 2D 물질을 연속적으로 제조하는 방법에서, 2D 층상화된 물질은 수렴-발산 채널의 목부에서 박리된다. 박리된 2D 물질을 연속적으로 생산하는 방법에서, 수렴-발산 채널은 드라발 노즐이다. 일부 실시예에서, 2D 층상화된 물질은 흑연이다. 박리된 2D 물질을 연속적으로 생산하는 방법에서, 박리된 2D 물질은 그래핀이다. 일부 실시예에서, 2D 층상화된 물질은 질화붕소이다. 박리된 2D 물질을 연속적으로 생산하는 방법에서, 박리된 2D 물질은 단일 층 질화붕소이다. 일부 실시예에서, 2D 층상화된 물질은 이황화몰리브덴(MoS2)이다. 박리된 2D 물질을 연속적으로 제조하는 방법에서, 박리된 2D 물질은 단일 층 MoS2이다. 일부 실시예에서, 2D 층상화된 물질은 c 축에서 약한 비-공유 결합을 특징으로 한다. 일부 실시예에서, 압축성 유체는 공기이다. 일부 실시예에서, 압축성 유체는 질소이다. 일부 실시예에서, 압축성 유체는 이산화탄소이다. 일부 실시예에서, 압축성 유체는 헬륨이다. 일부 실시예에서, 상기 방법은 용매 중에 박리된 2D 물질을 수집하는 단계를 더 포함한다.

Claims (23)

  1. 박리된 2차원(2D) 물질을 연속적으로 제조하는 방법으로서,
    Figure pct00008
    2D 층상화된 물질을 제공하는 단계;
    Figure pct00009
    압축성 유체를 제공하는 단계;
    Figure pct00010
    상기 2D 층상화된 물질과 상기 압축성 유체를 혼합하여 2D 물질 혼합물을 형성하는 단계; 및
    Figure pct00011
    상기 압축성 유체가 상기 2D 층상화된 물질로 인터칼레이션(intercalate)하기 전에 상기 2D 물질 혼합물을 수렴-발산 노즐을 통과시켜 상기 2D 층상화된 물질을 박리시키는 단계를 포함하는, 박리된 2차원(2D) 물질을 연속적으로 제조하는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 2D 층상화된 물질은 흑연, 그래핀, 질화붕소(boron nitride: BN), 단일 층 BN, 이황화몰리브덴(MoS2), 단일 층 MoS2 또는 이들의 임의의 조합을 포함하는, 박리된 2차원(2D) 물질을 연속적으로 제조하는 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 압축성 유체는 공기, 질소, 이산화탄소, 헬륨 또는 이들의 임의의 조합을 포함하는, 박리된 2차원(2D) 물질을 연속적으로 제조하는 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 2D 물질 혼합물에서 상기 2D 층상화된 물질의 농도는 약 0.01 밀리그램/밀리리터(mg/mL) 내지 약 0.4 mg/mL인, 박리된 2차원(2D) 물질을 연속적으로 제조하는 방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 수렴-발산 노즐은 드라발(de Laval) 노즐, 밸브, 오리피스, 얇은 튜브, 또는 이들의 임의의 조합을 포함하는, 박리된 2차원(2D) 물질을 연속적으로 제조하는 방법.
  6. 제5항에 있어서, 밸브는 니들 밸브, 버터플라이 밸브, 글로브 밸브, 핀치 밸브, 조절 가능한 흐름 밸브, 일방향 흐름 밸브 또는 이들의 임의의 조합을 포함하는, 박리된 2차원(2D) 물질을 연속적으로 제조하는 방법.
  7. 제1항에 있어서, 상기 수렴-발산 노즐을 통해 상기 2D 물질 혼합물을 통과시키는 것은 약 200 파운드/평방인치(psi) 내지 약 4000 psi의 압력을 상기 2D 물질 혼합물에 인가하는 것을 포함하는, 박리된 2차원(2D) 물질을 연속적으로 제조하는 방법.
  8. 제1항에 있어서, 상기 2D 물질 혼합물은 상기 압축성 유체 내 음속보다 더 작은 속도로 상기 수렴-발산 노즐에 진입하는, 박리된 2차원(2D) 물질을 연속적으로 제조하는 방법.
  9. 제1항에 있어서, 상기 2D 물질 혼합물은 상기 압축성 유체 내 음속보다 더 큰 속도로 상기 수렴-발산 노즐을 빠져 나가는, 박리된 2차원(2D) 물질을 연속적으로 제조하는 방법.
  10. 제1항에 있어서, 상기 수렴-발산 노즐은 약 0.005 밀리미터(㎜) 내지 약 0.5㎜의 목부(throat) 치수를 갖는, 박리된 2차원(2D) 물질을 연속적으로 제조하는 방법.
  11. 제1항에 있어서, 상기 수렴-발산 노즐은 약 3㎜ 내지 약 10㎜의 입구 또는 출구(outlet) 치수를 갖는, 박리된 2차원(2D) 물질을 연속적으로 제조하는 방법.
  12. 제1항에 있어서, 상기 수렴-발산 노즐은 약 15 센티미터(㎝) 내지 약 60㎝의 길이를 갖는, 박리된 2차원(2D) 물질을 연속적으로 제조하는 방법.
  13. 제1항에 있어서, 상기 수렴-발산 노즐은 약 15 내지 약 60의 목부 대 입구(throat-to-inlet) 치수 비율과 목부 대 출구(throat-to-outlet) 치수 비율 중 적어도 하나를 갖는, 박리된 2차원(2D) 물질을 연속적으로 제조하는 방법.
  14. 제1항에 있어서, 상기 박리된 2D 물질을 생성하는 상기 2D 층상화된 물질의 퍼센트는 약 50% 내지 약 100%인, 박리된 2차원(2D) 물질을 연속적으로 제조하는 방법.
  15. 제1항에 있어서, 상기 박리된 2D 물질은 약 10 내지 약 300의 종횡비를 갖는 복수의 박편을 포함하는, 박리된 2차원(2D) 물질을 연속적으로 제조하는 방법.
  16. 제1항에 있어서, 상기 박리된 2D 물질은 약 0.35 나노미터(㎚) 내지 약 10㎚의 평균 두께를 갖는 복수의 박편을 포함하는, 박리된 2차원(2D) 물질을 연속적으로 제조하는 방법.
  17. 제1항에 있어서, 상기 박리된 2D 물질은 약 50㎚ 내지 약 1,600㎚의 평균 길이를 갖는 복수의 박편을 포함하는, 박리된 2차원(2D) 물질을 연속적으로 제조하는 방법.
  18. 제1항에 있어서, 상기 박리된 2D 물질은 기껏 약 20개의 층을 포함하는 복수의 박편을 포함하는, 박리된 2차원(2D) 물질을 연속적으로 제조하는 방법.
  19. 제1항에 있어서, 상기 2D 물질 혼합물은 용매를 더 포함하는, 박리된 2차원(2D) 물질을 연속적으로 제조하는 방법.
  20. 제1항에 있어서, 상기 박리된 2D 물질을 원심 분리하는 단계를 더 포함하는, 박리된 2차원(2D) 물질을 연속적으로 제조하는 방법.
  21. 제20항에 있어서, 상기 원심 분리는 약 700 회전수/분(rpm) 내지 약 4,000 rpm의 속도로 수행되는, 박리된 2차원(2D) 물질을 연속적으로 제조하는 방법.
  22. 제20항에 있어서, 상기 원심 분리는 약 2분 내지 약 180분의 시간 기간 동안 수행되는, 박리된 2차원(2D) 물질을 연속적으로 제조하는 방법.
  23. 박리된 2차원(2D) 물질을 연속적으로 제조하는 방법으로서,
    Figure pct00012
    2D 층상화된 물질을 제공하는 단계;
    Figure pct00013
    압축성 유체의 연속 흐름을 제공하는 단계;
    Figure pct00014
    상기 2D 층상화된 물질을 상기 압축성 유체의 연속 흐름으로 공급하여 상기 2D 층상화된 물질과 상기 압축성 유체의 혼합물의 연속 흐름을 형성하는 단계; 및
    Figure pct00015
    상기 압축성 유체가 상기 2D 층상화된 물질로 인터칼레이션하기 전에 상기 2D 층상화된 물질과 상기 압축성 유체의 혼합물의 연속 흐름을 수렴-발산 노즐을 통과시켜 상기 2D 층상화된 물질을 박리시키는 단계를 포함하는, 박리된 2차원(2D) 물질을 연속적으로 제조하는 방법.
KR1020197009316A 2016-09-30 2017-09-27 압축성 흐름에 의해 박리된 2d 층상화된 물질의 연속 생산 KR102498683B1 (ko)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US201662402591P 2016-09-30 2016-09-30
US62/402,591 2016-09-30
PCT/US2017/053691 WO2018064152A1 (en) 2016-09-30 2017-09-27 Continuous production of exfoliated 2d layered materials by compressive flow

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20190062417A true KR20190062417A (ko) 2019-06-05
KR102498683B1 KR102498683B1 (ko) 2023-02-09

Family

ID=61756903

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020197009316A KR102498683B1 (ko) 2016-09-30 2017-09-27 압축성 흐름에 의해 박리된 2d 층상화된 물질의 연속 생산

Country Status (11)

Country Link
US (2) US10882276B2 (ko)
EP (1) EP3490717B1 (ko)
JP (1) JP7094024B2 (ko)
KR (1) KR102498683B1 (ko)
CN (2) CN115196624A (ko)
AU (1) AU2017335685B2 (ko)
CA (1) CA3036086A1 (ko)
IL (1) IL265404B2 (ko)
MX (1) MX2019003391A (ko)
TW (1) TWI743215B (ko)
WO (1) WO2018064152A1 (ko)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102611645B1 (ko) * 2023-05-03 2023-12-08 이승민 건식 박리를 통한 2차원 물질의 제조방법 및 이를 이용하여 제조된 2차원 물질

Families Citing this family (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102498683B1 (ko) * 2016-09-30 2023-02-09 더 리전트 오브 더 유니버시티 오브 캘리포니아 압축성 흐름에 의해 박리된 2d 층상화된 물질의 연속 생산
CN111377436A (zh) * 2018-12-31 2020-07-07 浙江工业大学 一种气体驱动的层状材料剥离装置及剥离方法
US11581430B2 (en) 2019-08-22 2023-02-14 Globalfoundries U.S. Inc. Planar transistor device comprising at least one layer of a two-dimensional (2D) material and methods for making such transistor devices
CA3154958A1 (en) * 2019-10-14 2021-04-22 Rouzbeh SHAHSAVARI Cementitious composites via carbon-based nanomaterials
CN110642295B (zh) * 2019-10-25 2021-08-03 四川大学 基于固相力化学反应器的二硫化钼纳米片层剥离制备方法
US11177182B2 (en) 2020-01-30 2021-11-16 Globalfoundries U.S. Inc. Vertical transistor device comprising a two-dimensional (2D) material positioned in a channel region of the device and methods of making such vertical transistor devices
US11094791B1 (en) 2020-01-30 2021-08-17 Globalfoundries U.S. Inc. Vertical transistor device with source/drain regions comprising a twi-dimensional (2D) material and methods of making such vertical transistor devices
GB2606689A (en) * 2021-03-17 2022-11-23 Qinetiq Ltd Device and materials
KR20230033369A (ko) * 2021-09-01 2023-03-08 주식회사 씨앤씨머티리얼즈 육방정 질화붕소 나노시트 분산 조성물 및 그 제조 방법

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20100222482A1 (en) * 2006-09-26 2010-09-02 Jang Bor Z Mass production of nano-scaled platelets and products
KR101378734B1 (ko) * 2013-01-22 2014-04-04 주식회사 제이오 고온-고압 매체를 이용한 그라파이트 박리 장치 및 방법
KR20160021561A (ko) * 2014-08-18 2016-02-26 조종수 그래핀 복합 유기용액의 제조방법 및 이 방법으로 제조한 그래핀 복합 유기용액

Family Cites Families (30)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS5549162A (en) * 1978-10-03 1980-04-09 Ikeuchi:Kk Mist producting device
KR0137839B1 (ko) 1994-06-10 1998-06-15 석진철 동기형 모터의 스테이터 구조
JP2000015126A (ja) 1998-06-29 2000-01-18 Minolta Co Ltd 流動層型ジェット粉砕機
US20020054995A1 (en) * 1999-10-06 2002-05-09 Marian Mazurkiewicz Graphite platelet nanostructures
US7166657B2 (en) 2002-03-15 2007-01-23 Eastman Kodak Company Article utilizing highly branched polymers to splay layered materials
US6863983B2 (en) 2002-06-25 2005-03-08 University Of Massachusetts Layered silicate material and applications of layered materials with porous layers
US7105108B2 (en) 2002-08-15 2006-09-12 Advanced Energy Technology Inc. Graphite intercalation and exfoliation process
US20050214474A1 (en) * 2004-03-24 2005-09-29 Taeyoung Han Kinetic spray nozzle system design
US7754184B2 (en) * 2006-06-08 2010-07-13 Directa Plus Srl Production of nano-structures
BE1017673A3 (fr) * 2007-07-05 2009-03-03 Fib Services Internat Procede et dispositif de projection de matiere pulverulente dans un gaz porteur.
US7790285B2 (en) * 2007-12-17 2010-09-07 Nanotek Instruments, Inc. Nano-scaled graphene platelets with a high length-to-width aspect ratio
US8696938B2 (en) * 2008-08-25 2014-04-15 Nanotek Instruments, Inc. Supercritical fluid process for producing nano graphene platelets
US8852444B2 (en) * 2009-08-14 2014-10-07 Northwestern University Sorting two-dimensional nanomaterials by thickness
US8414799B2 (en) 2010-06-18 2013-04-09 National Defense University Method for manufacturing graphene
JP5877590B2 (ja) 2010-12-22 2016-03-08 プラズマ技研工業株式会社 コールドスプレー用ノズル及びそのコールドスプレー用ノズルを用いたコールドスプレー装置
JP6047567B2 (ja) * 2011-07-19 2016-12-21 ジ・オーストラリアン・ナショナル・ユニバーシティー 界面活性剤中での超音波処理による層状材料の剥離
US8734683B2 (en) 2011-11-29 2014-05-27 Xerox Corporation Graphene nano-sheets and methods for making the same
KR101387007B1 (ko) * 2012-06-08 2014-04-18 (주) 시온텍 그래핀의 제조방법
JP2014104405A (ja) 2012-11-27 2014-06-09 Rix Corp 凝集体の分散装置および分散方法
GB201304770D0 (en) 2013-03-15 2013-05-01 Provost Fellows Foundation Scholars And The Other Members Of Board Of A scalable process for producing exfoliated defect-free, non-oxidised 2-dimens ional materials in large quantities
CN103350554B (zh) * 2013-06-17 2015-11-04 南京科孚纳米技术有限公司 一种对流气体剪切剥离二维层状材料的方法
FR3009298B1 (fr) * 2013-07-31 2018-06-08 Univ Bordeaux 1 Procede d'exfoliation de graphite assiste par reaction de diels-alder
GB201401715D0 (en) 2014-01-31 2014-03-19 Univ Manchester Exfoliation
CN103977870B (zh) * 2014-05-26 2016-03-30 北京航空航天大学 采用气流粉碎剥离工艺制备石墨烯前驱体二维纳米石墨粉的方法
KR101808230B1 (ko) * 2015-10-13 2017-12-13 한국과학기술연구원 연속적인 전단응력과 유체충돌방식을 이용한 층상 구조 물질의 판상형 나노시트의 제조방법
CN105540575A (zh) * 2016-01-28 2016-05-04 成都新柯力化工科技有限公司 一种利用高压均质机剥离制备石墨烯的方法
CA2972284C (en) 2016-07-05 2019-05-14 Vln Advanced Technologies Inc. Apparatus and method for preparing graphene by exfoliation of graphite using a pulsed or cavitating waterjet
KR102498683B1 (ko) 2016-09-30 2023-02-09 더 리전트 오브 더 유니버시티 오브 캘리포니아 압축성 흐름에 의해 박리된 2d 층상화된 물질의 연속 생산
JP6449390B1 (ja) 2017-08-09 2019-01-09 住友理工株式会社 導電性膜の製造方法
EP3636592A1 (en) 2018-10-12 2020-04-15 Advanced Material Development Limited Liquid-exfoliated nanomaterials

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20100222482A1 (en) * 2006-09-26 2010-09-02 Jang Bor Z Mass production of nano-scaled platelets and products
KR101378734B1 (ko) * 2013-01-22 2014-04-04 주식회사 제이오 고온-고압 매체를 이용한 그라파이트 박리 장치 및 방법
KR20160021561A (ko) * 2014-08-18 2016-02-26 조종수 그래핀 복합 유기용액의 제조방법 및 이 방법으로 제조한 그래핀 복합 유기용액

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102611645B1 (ko) * 2023-05-03 2023-12-08 이승민 건식 박리를 통한 2차원 물질의 제조방법 및 이를 이용하여 제조된 2차원 물질

Also Published As

Publication number Publication date
KR102498683B1 (ko) 2023-02-09
MX2019003391A (es) 2019-06-06
CN109803768A (zh) 2019-05-24
JP7094024B2 (ja) 2022-07-01
EP3490717B1 (en) 2022-08-03
WO2018064152A1 (en) 2018-04-05
AU2017335685A1 (en) 2019-05-02
US10882276B2 (en) 2021-01-05
US20180093454A1 (en) 2018-04-05
US20210154977A1 (en) 2021-05-27
AU2017335685B2 (en) 2022-09-29
JP2019532001A (ja) 2019-11-07
US11472158B2 (en) 2022-10-18
EP3490717A1 (en) 2019-06-05
CA3036086A1 (en) 2018-04-05
IL265404B1 (en) 2023-03-01
IL265404A (en) 2019-05-30
EP3490717A4 (en) 2020-06-17
CN115196624A (zh) 2022-10-18
TWI743215B (zh) 2021-10-21
TW201813944A (zh) 2018-04-16
IL265404B2 (en) 2023-07-01

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR102498683B1 (ko) 압축성 흐름에 의해 박리된 2d 층상화된 물질의 연속 생산
Gautier et al. Direct decarbonization of methane by thermal plasma for the production of hydrogen and high value-added carbon black
Qiao et al. Effects of ultrasonic cavitation intensity on the efficient liquid-exfoliation of MoS 2 nanosheets
JP7443383B2 (ja) 液体で剥離されたナノ材料
ITUB20155920A1 (it) Esfoliazione di materiali stratificati mediante tecniche di wet-jet milling.
Qiu et al. Liquid-phase exfoliation of graphite into graphene nanosheets in a hydrocavitating ‘lab-on-a-chip’
Yi et al. Fluid dynamics: an emerging route for the scalable production of graphene in the last five years
Wang et al. Direct liquid phase exfoliation of graphite to produce few-layer graphene by microfluidization
Shang et al. The facile fabrication of few-layer graphene and graphite nanosheets by high pressure homogenization
CN101428789A (zh) 碳纳米管表面大气压、常温等离子体改性的处理方法
Ma et al. Investigating the exfoliation behavior of MoS2 and graphite in water: A comparative study
Jašek et al. Study of graphene layer growth on dielectric substrate in microwave plasma torch at atmospheric pressure
Liu et al. Synergistic effect of supercritical CO 2 and organic solvent on exfoliation of graphene: experiment and atomistic simulation studies
Jafarpour et al. An ecologically friendly process for graphene exfoliation based on the “hydrodynamic cavitation on a chip” concept
Abd-Elrahim et al. One-step mechanical exfoliation and deposition of layered materials (graphite, MoS2, and BN) by vacuum-kinetic spray process
Padya et al. A facile co-solvent strategy for preparation of graphene nanoplatelet powder: An industrially viable innovative approach
Zong et al. Effect of static pressure on ultrasonic liquid phase exfoliation of few-layer graphene
US10329156B2 (en) Oxygen functionalized graphene nanoflake, a stable and surfactant-free graphene nanoflake nanofluid and method from making same
US10106419B2 (en) Method of making graphene nanocomposites by multiphase fluid dynamic dispersion
Yi et al. Mathematical Model of Graphene Yield in Ultrasonic Preparation
Islam Characterization of Rapidly Exfoliated 2D Nanomaterials Obtained Using Compressible Flows
TWI859160B (zh) 由３ｄ層狀材料製備奈米片的方法及使用其之設備
Mak Add a Pinch of Salt: Effects of Additives for the Development of New Materials
Kostić et al. Off-resonant Raman spectroscopy of ZnS quantum dots
Shavelkina et al. Application of low-temperature plasma for the synthesis of hydrogenated graphene (graphane)

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant