كيفية تحضير الموائع النانوية

المائع النانوي هو مائع مُهندَس يتكون من مائع أساس يحتوي على جسيمات نانوية. ولتحضير الموائع النانوية، يلزم استخدام تقنية فعالة وموثوقة للتجانس وتفكيك التكتلات لضمان درجة عالية من التشتت المنتظم. وتُعد أجهزة التشتيت بالموجات فوق الصوتية التقنية المتفوقة لإنتاج موائع نانوية ذات خصائص ممتازة. ويتميز التشتيت بالموجات فوق الصوتية بالكفاءة والسرعة والبساطة والموثوقية وسهولة الاستخدام.

ما الموائع النانوية؟

المائع النانوي هو مائع يحتوي على جسيمات ذات حجم نانوي (≺100nm)، تُسمى عادةً الجسيمات النانوية. وتتكون الجسيمات النانوية المستخدمة في الموائع النانوية عادةً من معادن أو أكاسيد أو كربيدات أو أنابيب كربونية نانوية. وتُشتَّت هذه الجسيمات النانوية في مائع أساس (مثل الماء والزيت وغيرهما) للحصول على معلق غروي مُهندَس، أي المائع النانوي. وتُظهر الموائع النانوية خصائص حرارية وفيزيائية محسَّنة، مثل الموصلية الحرارية والانتشارية الحرارية واللزوجة ومعاملات انتقال الحرارة بالحمل، مقارنةً بخصائص مادة مائع الأساس.
ومن التطبيقات الشائعة للموائع النانوية استخدامها كسائل تبريد أو مائع تثليج. وتؤدي إضافة الجسيمات النانوية إلى سوائل التبريد التقليدية (مثل الماء والزيت والإيثيلين غليكول والبولي ألفا أوليفين وغيرها) إلى تحسين الخصائص الحرارية لهذه السوائل.

• سوائل التبريد / نقل الحرارة
• مواد التشحيم
• التطبيقات الطبية الحيوية

تحضير الموائع النانوية باستخدام مجانس بالموجات فوق الصوتية

يمكن التأثير في البنية المجهرية للموائع النانوية والتحكم فيها من خلال تطبيق أنسب تقنيات التجانس ومعلمات المعالجة. وقد ثبت أن التشتيت بالموجات فوق الصوتية تقنية عالية الكفاءة وموثوقة لتحضير الموائع النانوية. وتُستخدم أجهزة التشتيت بالموجات فوق الصوتية في البحث والصناعة لتخليق الجسيمات النانوية وطحنها وتشتيتها وتجانسها بدرجة عالية من الانتظام وتوزيع ضيق لأحجام الجسيمات. وتشمل معلمات عملية تخليق الموائع النانوية مقدار الطاقة فوق الصوتية المُدخلة، وسعة الاهتزاز بالموجات فوق الصوتية، ودرجة الحرارة، والضغط، والحموضة. وعلاوةً على ذلك، تُعد أنواع المتفاعلات والمواد المضافة وتركيزاتها، وكذلك ترتيب إضافة المواد المضافة إلى المحلول، عوامل مهمة.
ومن المعروف أن خصائص الموائع النانوية تعتمد بدرجة كبيرة على بنية المواد النانوية وشكلها. لذلك، فإن الحصول على بنى مجهرية قابلة للتحكم للموائع النانوية هو العامل الرئيسي الذي يسهم في أدائها الوظيفي وجودتها. ويُعد استخدام معلمات محسَّنة للمعالجة بالموجات فوق الصوتية، مثل سعة الاهتزاز والضغط ودرجة الحرارة ومقدار الطاقة المُدخلة (Ws/mL)، أساس إنتاج مائع نانوي مستقر ومتجانس وعالي الجودة. ويمكن تطبيق المعالجة بالموجات فوق الصوتية بنجاح لتفكيك تكتلات الجسيمات وتشتيتها إلى جسيمات نانوية منفردة ومشتتة. ومع صغر حجم الجسيمات، تزداد الحركة البراونية (السرعة البراونية) وكذلك التفاعلات بين الجسيمات، مما يؤدي إلى موائع نانوية أكثر استقرارًا. وتتيح أجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية من Hielscher التحكم الدقيق في جميع معلمات المعالجة المهمة، ويمكنها العمل باستمرار بسعات اهتزاز عالية (24/7/365)، كما تتضمن تسجيلًا تلقائيًا للبيانات لتسهيل تقييم جميع دورات المعالجة بالموجات فوق الصوتية.

سيليكا ذات حجم نانوي مشتتة بالموجات فوق الصوتية

تحسين استقرار الموائع النانوية بالمعالجة بالموجات فوق الصوتية

في الموائع النانوية، يؤدي تكتل الجسيمات النانوية إلى ترسبها وانسداد القنوات الدقيقة، وكذلك إلى انخفاض الموصلية الحرارية للموائع النانوية. ويُستخدم تفكيك التكتلات والتشتيت بالموجات فوق الصوتية على نطاق واسع في علم المواد والصناعة. والمعالجة بالموجات فوق الصوتية تقنية مثبتة لتحضير مشتتات نانوية مستقرة ذات توزيع منتظم للجسيمات النانوية واستقرار عالٍ. لذلك، تُعد أجهزة التشتيت بالموجات فوق الصوتية من Hielscher التقنية المفضلة لإنتاج الموائع النانوية.

الموائع النانوية المنتجة بالموجات فوق الصوتية في الأبحاث

درست الأبحاث تأثيرات المعالجة بالموجات فوق الصوتية ومعلمات الموجات فوق الصوتية في خصائص الموائع النانوية. اقرأ المزيد عن النتائج العلمية المتعلقة بتحضير الموائع النانوية بالموجات فوق الصوتية.

تأثيرات الموجات فوق الصوتية في تحضير الموائع النانوية المحتوية على Al2O3

وجد Noroozi وآخرون (2014) أنه عند «زيادة تركيز الجسيمات، كان تحسن الانتشارية الحرارية للموائع النانوية الناتج عن المعالجة بالموجات فوق الصوتية أكبر. وعلاوةً على ذلك، تحقق استقرار أكبر وتحسن أكبر في الانتشارية الحرارية من خلال معالجة الموائع النانوية بالموجات فوق الصوتية باستخدام جهاز معالجة بالموجات فوق الصوتية ذي مسبار وقدرة أعلى قبل القياس». وكان تحسن الانتشارية الحرارية أكبر لدى الجسيمات النانوية الأصغر حجمًا. ويعود ذلك إلى أن الجسيمات الأصغر تتمتع بنسب أعلى لمساحة السطح الفعالة إلى الحجم. وهكذا، ساعدت الجسيمات الأصغر على تكوين مائع نانوي مستقر، وكان للمعالجة بالموجات فوق الصوتية باستخدام مسبار تأثير كبير في الانتشارية الحرارية. (Noroozi et al. 2014)

تعليمات خطوة بخطوة لإنتاج موائع Al2O3 والماء النانوية بالموجات فوق الصوتية

أولًا، زِن كتلة جسيمات Al2O3 النانوية باستخدام ميزان إلكتروني رقمي. ثم أضف جسيمات Al2O3 النانوية تدريجيًا إلى الماء المقطر الذي جرى وزنه، وحرّك خليط Al2O3 والماء. عالج الخليط بالموجات فوق الصوتية باستمرار لمدة 1h باستخدام جهاز ذي مسبار بالموجات فوق الصوتية UP400S (400W، 24kHz، انظر الصورة على اليسار) للحصول على تشتت منتظم للجسيمات النانوية في الماء المقطر. ويمكن تحضير الموائع النانوية بنسب مختلفة (0.1%، 0.5%، و1%). ولا يلزم استخدام مادة خافضة للتوتر السطحي أو إجراء تغييرات في pH. (Isfahani et al., 2013)

موائع ZnO النانوية المائية المضبوطة بالموجات فوق الصوتية

يذكر Elcioglu وآخرون (2021) في دراستهم العلمية أن «المعالجة بالموجات فوق الصوتية عملية أساسية لتشتيت الجسيمات النانوية على نحو سليم في مائع الأساس ولتحقيق الاستقرار، وكذلك للحصول على خصائص مثلى للتطبيقات العملية». وقد استخدموا جهاز المعالجة بالموجات فوق الصوتية UP200Ht لإنتاج موائع ZnO / الماء النانوية. وكان للمعالجة بالموجات فوق الصوتية تأثيرات واضحة في التوتر السطحي لمائع ZnO النانوي المائي. وتؤدي نتائج الباحثين إلى استنتاج مفاده أن التوتر السطحي وتكوّن الأغشية النانوية وغيرها من السمات ذات الصلة لأي مائع نانوي يمكن تعديلها وضبطها في ظروف مناسبة للمعالجة بالموجات فوق الصوتية.

مجانسات بالموجات فوق الصوتية لإنتاج الموائع النانوية

تُصمم Hielscher Ultrasonics أجهزة تشتيت بالموجات فوق الصوتية عالية الأداء وتصنعها وتوزعها لجميع أنواع تطبيقات التجانس وتفكيك التكتلات. وعند إنتاج الموائع النانوية، يُعد التحكم الدقيق في المعالجة بالموجات فوق الصوتية والمعالجة الموثوقة لمعلق الجسيمات النانوية بالموجات فوق الصوتية أمرين حاسمين.
تمنحك أجهزة المعالجة من Hielscher Ultrasonics تحكمًا كاملًا في جميع معلمات المعالجة المهمة، مثل مقدار الطاقة المُدخلة وشدة الموجات فوق الصوتية وسعة الاهتزاز والضغط ودرجة الحرارة وزمن المكوث. وبذلك، يمكنك ضبط المعلمات للوصول إلى ظروف مثلى، مما يؤدي بالتالي إلى الحصول على موائع نانوية عالية الجودة.

• لأي حجم؟ سعة: توفر Hielscher أجهزة معالجة بالموجات فوق الصوتية ومجموعة واسعة من الملحقات. ويتيح ذلك تهيئة النظام المثالي للموجات فوق الصوتية بما يلائم تطبيقك وسعتك الإنتاجية. ومن القوارير الصغيرة ذات أحجام بالملليلتر إلى التدفقات كبيرة الحجم البالغة آلاف الغالونات في الساعة، توفر Hielscher الحل المناسب بالموجات فوق الصوتية لعمليتك.
• المتانة: أنظمتنا للموجات فوق الصوتية متينة وموثوقة. وجميع أجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية من Hielscher مصممة للعمل 24/7/365، ولا تتطلب إلا قدرًا ضئيلًا جدًا من الصيانة.
• سهولة الاستخدام: تتيح البرمجيات المتطورة لأجهزتنا بالموجات فوق الصوتية الاختيار المسبق لإعدادات المعالجة بالموجات فوق الصوتية وحفظها لإجراء معالجة بسيطة وموثوقة. ويمكن الوصول بسهولة إلى القائمة البديهية عبر شاشة لمس رقمية ملونة. ويتيح التحكم عن بُعد عبر المتصفح التشغيل والمراقبة باستخدام أي متصفح إنترنت. ويحفظ التسجيل التلقائي للبيانات معلمات العملية لكل دورة معالجة بالموجات فوق الصوتية على بطاقة SD مدمجة.

يوضح الجدول أدناه السعة التقريبية للمعالجة باستخدام أجهزتنا بالموجات فوق الصوتية: