التفتيت بالموجات فوق الصوتية – تأثير الموجات فوق الصوتية عالية القدرة في تكسّر الجسيمات

يصف التفتيت بالموجات فوق الصوتية تكسّر الجسيمات إلى شظايا نانوية الحجم بفعل الموجات فوق الصوتية عالية القدرة. وعلى خلاف تفكيك التكتلات والطحن الشائعين بالموجات فوق الصوتية – حيث تُطحن الجسيمات وتُفصل أساسًا بفعل التصادمات بين الجسيمات – يتميز التفتيت بالموجات فوق الصوتية بالتفاعل المباشر بين الجسيم وموجة الصدمة. تُحدث الموجات فوق الصوتية عالية القدرة/منخفضة التردد تجويفًا، ومن ثم قوى قص شديدة في السوائل. وتؤدي الظروف القاسية لانهيار فقاعات التجويف والتصادمات بين الجسيمات إلى طحن الجسيمات وتحويلها إلى مادة دقيقة الحجم للغاية.

إنتاج الجسيمات النانوية وتحضيرها بالموجات فوق الصوتية

إن تأثيرات الموجات فوق الصوتية عالية القدرة في إنتاج المواد النانوية معروفة جيدًا: فالتشتيت وتفكيك التكتلات والطحن والسحق، وكذلك التفتيت بالمعالجة بالموجات فوق الصوتية، غالبًا ما تكون الطريقة الفعالة الوحيدة لمعالجة الجسيمات النانوية. وينطبق ذلك خصوصًا على المواد النانوية الدقيقة للغاية ذات الوظائف الخاصة، إذ تظهر خصائص فريدة للجسيمات عند الحجم النانوي. ولإنتاج مواد نانوية ذات وظائف محددة، يجب ضمان عملية معالجة بالموجات فوق الصوتية متجانسة وموثوقة. توفر Hielscher معدات للموجات فوق الصوتية بدءًا من النطاق المخبري وصولًا إلى حجم الإنتاج التجاري الكامل.

التفتيت بالموجات فوق الصوتية بفعل التجويف

يؤدي إدخال قوى فوق صوتية قوية إلى السوائل إلى نشوء ظروف قاسية. وعندما تنتشر الموجات فوق الصوتية في وسط سائل، فإنها تُحدث دورات متناوبة من الانضغاط والتخلخل (دورات ضغط مرتفع وضغط منخفض). وخلال دورات الضغط المنخفض، تنشأ فقاعات فراغية صغيرة في السائل. وتنمو فقاعات التجويف هذه عبر عدة دورات ضغط منخفض حتى تبلغ حجمًا لا يمكنها عنده امتصاص مزيد من الطاقة. وفي هذه الحالة، التي تبلغ فيها الطاقة الممتصة وحجم الفقاعة أقصى قيمتيهما، تنهار فقاعة التجويف بعنف وتُحدث ظروفًا قاسية موضعيًا. ونتيجة الانهيار الداخلي لفقاعات التجويف ، تبلغ درجات الحرارة موضعيًا قيمًا مرتفعة للغاية تقارب 5000K، وتبلغ الضغوط نحو 2000atm. وينتج عن الانهيار الداخلي نفاثات سائلة تصل سرعتها إلى 280m/s (≈1000km/h). ويصف التفتيت بالموجات فوق الصوتية استخدام هذه القوى الشديدة لتفتيت الجسيمات إلى أبعاد أصغر ضمن النطاقين دون الميكروني والنانوي. ومع تقدم المعالجة بالموجات فوق الصوتية، يتحول شكل الجسيمات من زاوي إلى كروي، مما يزيد قيمتها. ويُعبَّر عن نتائج التفتيت بالموجات فوق الصوتية بمعدل التفتيت، الذي يُوصف بوصفه دالة للقدرة المُدخلة والحجم المعالَج بالموجات فوق الصوتية وحجم التكتلات.
درس Kusters وآخرون (1994) تفتيت التكتلات بمساعدة الموجات فوق الصوتية من حيث استهلاك الطاقة. وتشير نتائج الباحثين إلى «أن تقنية التشتيت بالموجات فوق الصوتية يمكن أن تضاهي كفاءة تقنيات الطحن التقليدية. وقد تؤدي الممارسة الصناعية للتشتيت بالموجات فوق الصوتية (مثل استخدام مسابير أكبر والتدفق المستمر للمعلّق) إلى تغيير هذه النتائج بعض الشيء، ولكن يُتوقع عمومًا أن استهلاك الطاقة النوعي ليس سبب اختيار تقنية تصغير الحجم هذه، بل قدرتها على إنتاج جسيمات دقيقة للغاية (دون ميكرونية)». [Kusters et al. 1994] وخاصةً بالنسبة إلى المساحيق التي تتآكل مثل السيليكا أو الزركونيا، تبيّن أن الطاقة النوعية المطلوبة لكل وحدة من كتلة المسحوق في الطحن بالموجات فوق الصوتية أقل منها في طرق الطحن التقليدية. ولا تؤثر المعالجة بالموجات فوق الصوتية في الجسيمات بالطحن والسحق فحسب، بل أيضًا بصقل المواد الصلبة. وبذلك يمكن تحقيق درجة عالية من كروية الجسيمات.

التفتيت بالموجات فوق الصوتية لتبلور المواد النانوية

«مع أنه لا يوجد شك يُذكر في حدوث تصادمات بين الجسيمات في ملاط البلورات الجزيئية المعرّض للموجات فوق الصوتية، فإن هذه التصادمات ليست المصدر السائد للتفتيت. وعلى خلاف البلورات الجزيئية، لا تتضرر الجسيمات المعدنية مباشرةً بفعل موجات الصدمة، ولا يمكن أن تتأثر إلا بالتصادمات الأشد بين الجسيمات (وهي أقل حدوثًا بكثير). ويبرز التحول في الآليات السائدة عند معالجة المساحيق المعدنية بالموجات فوق الصوتية مقارنةً بملاط الأسبرين الاختلافات في خصائص الجسيمات المعدنية القابلة للطرق والبلورات الجزيئية القابلة للتفتت». [Zeiger/ Suslick 2011, 14532]

التفتيت بالموجات فوق الصوتية لجسيمات الأسبرين [Zeiger/ Suslick 2011]

درس Gopi وآخرون (2008) تصنيع جسيمات خزفية من الألومينا عالية النقاء دون ميكرومترية الحجم (تقع معظمها في نطاق أقل من 100 nm) من مادة تغذية ميكرومترية الحجم (مثلًا، 70–80 μm) باستخدام التفتيت بالموجات فوق الصوتية. ولاحظوا تغيرًا ملحوظًا في لون جسيمات الألومينا الخزفية وشكلها نتيجةً للتفتيت بالموجات فوق الصوتية. ويمكن بسهولة الحصول على جسيمات في النطاقات الميكرونية ودون الميكرونية والنانوية باستخدام المعالجة بالموجات فوق الصوتية عالية القدرة. وازدادت كروية الجسيمات مع زيادة زمن المكوث في المجال الصوتي.

التشتيت في مادة خافضة للتوتر السطحي

نظرًا إلى فعالية تكسّر الجسيمات بالموجات فوق الصوتية، فإن استخدام المواد الخافضة للتوتر السطحي ضروري لمنع تفكيك تكتلات الجسيمات الناتجة ذات الأحجام دون الميكرونية والنانوية. وكلما صغر حجم الجسيمات، ارتفعت نسبة أبعاد مساحة السطح، التي يجب تغطيتها بمادة خافضة للتوتر السطحي لإبقاء الجسيمات معلّقة وتجنب تخثرها (تكتلها). وتكمن ميزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية في تأثير التشتيت: فبالتزامن مع الطحن والتفتيت، تشتت الموجات فوق الصوتية شظايا الجسيمات المطحونة مع المادة الخافضة للتوتر السطحي، بحيث يُتجنب تكتل الجسيمات النانوية بصورة كاملة (تقريبًا).

الإنتاج الصناعي

يتطلب تزويد السوق بمواد نانوية عالية الجودة تتمتع بوظائف استثنائية معدات معالجة موثوقة. وتتيح أجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية، التي تصل قدرتها إلى 16kW لكل وحدة ويمكن تجميعها في مجموعات، معالجة تيارات حجمية غير محدودة عمليًا. وبفضل قابلية التوسع الخطية بالكامل لعمليات الموجات فوق الصوتية، يمكن اختبار تطبيقاتها دون مخاطر في المختبر، وتحسينها على نطاق وحدات سطح المنضدة، ثم تنفيذها دون مشكلات في خط الإنتاج. ولأن معدات الموجات فوق الصوتية لا تتطلب مساحة كبيرة، يمكن حتى تركيبها لاحقًا ضمن مسارات المعالجة القائمة. كما أن تشغيلها سهل، ويمكن مراقبتها وتشغيلها بالتحكم عن بُعد، في حين أن متطلبات صيانة نظام الموجات فوق الصوتية تكاد تكون ضئيلة للغاية.

توزيع أحجام الجسيمات وصور المجهر الإلكتروني الماسح (SEM) لسبيكة قائمة على Bi2Te3 قبل الطحن بالموجات فوق الصوتية وبعده. a – توزيع أحجام الجسيمات؛ b – صورة SEM قبل الطحن بالموجات فوق الصوتية؛ c – صورة SEM بعد الطحن بالموجات فوق الصوتية لمدة 4 h؛ d – صورة SEM بعد الطحن بالموجات فوق الصوتية لمدة 8 h.
المصدر: Marquez-Garcia وآخرون 2015.

الأدبيات / المراجع

• Ambedkar, B. (2012): Ultrasonic Coal-Wash for De-Ashing and De-Sulfurization: Experimental Investigation and Mechanistic Modeling. Springer, 2012.
• Eder, Rafael J. P.; Schrank, Simone; Besenhard, Maximilian O.; Roblegg, Eva; Gruber-Woelfler, Heidrun; Khinast, Johannes G. (2012): Continuous Sonocrystallization of Acetylsalicylic Acid (ASA): Control of Crystal Size. Crystal Growth & Design 12/10, 2012. 4733-4738.
• Gopi, K. R.; Nagarajan, R. (2008): Advances in Nanoalumina Ceramic Particle Fabrication Using Sonofragmentation. IEEE Transactions on Nanotechnology 7/5, 2008. 532-537.
• Kusters, Karl; Pratsinis, Sotiris E.; Thoma, Steven G.; Smith, Douglas M. (1994): Energy-size reduction laws for ultrasonic fragmentation. Powder Technology 80, 1994. 253-263.
• Zeiger, Brad W.; Suslick, Kenneth S. (2011): Sonofragementation of Molecular Crystals. Journal of the American Chemical Society. 2011.