الطحن بالموجات فوق الصوتية للمساحيق النانوية الكهروحرارية

• أظهرت الأبحاث إمكانية استخدام الطحن بالموجات فوق الصوتية بنجاح لتصنيع الجسيمات النانوية الكهروحرارية، وإمكانية تعديل أسطح الجسيمات بهذه التقنية.
• أظهرت الجسيمات المطحونة بالموجات فوق الصوتية (مثل سبيكة قائمة على Bi₂Te₃) انخفاضًا ملحوظًا في الحجم، وأنتج الطحن جسيمات نانوية بأحجام أقل من 10µm.
• علاوة على ذلك، تُحدث المعالجة بالموجات فوق الصوتية تغييرات ملحوظة في مورفولوجيا أسطح الجسيمات، مما يتيح إضفاء وظائف على أسطح الجسيمات الميكرونية والنانوية.

الجسيمات النانوية الكهروحرارية

تحوّل المواد الكهروحرارية الطاقة الحرارية إلى طاقة كهربائية استنادًا إلى تأثيرَي سيبك وبلتييه. وبذلك يصبح من الممكن تحويل الطاقة الحرارية التي يصعب استخدامها أو التي تكاد تُهدر إلى تطبيقات منتجة بفعالية. ونظرًا لإمكانية إدماج المواد الكهروحرارية في تطبيقات جديدة، مثل البطاريات الحرارية الحيوية، والتبريد الكهروحراري بالحالة الصلبة، والأجهزة الإلكترونية الضوئية، وتوليد الطاقة في الفضاء وفي السيارات، يبحث قطاعا الأبحاث والصناعة عن تقنيات سهلة وسريعة لإنتاج جسيمات نانوية كهروحرارية صديقة للبيئة، واقتصادية، ومستقرة عند درجات الحرارة العالية. الطحن بالموجات فوق الصوتية وكذلك التخليق من الأسفل إلى الأعلى (التبلور بالموجات فوق الصوتية) مساران واعدان للإنتاج الكمي السريع للمواد النانوية الكهروحرارية.

معدات الطحن بالموجات فوق الصوتية

لتقليل حجم جسيمات مسحوق تيلوريد البزموت (Bi₂Te₃)، وسيليسيد المغنيسيوم (Mg₂Si)، والسيليكون (Si)، استُخدم نظام الموجات فوق الصوتية عالي الشدة UIP1000hdT (1kW, 20kHz) في ترتيب تجريبي بكأس مخبري مفتوح. ضُبطت السعة على 140µm في جميع التجارب. يُبرَّد وعاء العينة في حمام مائي، وتُضبط درجة الحرارة باستخدام مزدوج حراري. ونظرًا لإجراء المعالجة بالموجات فوق الصوتية في وعاء مفتوح، استُخدم التبريد لمنع تبخر محاليل الطحن (مثل الإيثانول أو البوتانول أو الماء).

(a) رسم تخطيطي للترتيب التجريبي. (b) جهاز الطحن بالموجات فوق الصوتية. المصدر: Marquez-Garcia وآخرون، 2015.

أسفر الطحن بالموجات فوق الصوتية لمدة 4h فقط لسبيكة Bi₂Te₃ عن إنتاج كمية كبيرة من الجسيمات النانوية التي تراوحت أحجامها بين 150 و400 nm. وإلى جانب تقليل الحجم إلى النطاق النانوي، أدت المعالجة بالموجات فوق الصوتية أيضًا إلى تغيير مورفولوجيا السطح. وتُظهر صور المجهر الإلكتروني الماسح (SEM) في الأجزاء b وc وd من الشكل أدناه أن الحواف الحادة للجسيمات قبل الطحن بالموجات فوق الصوتية أصبحت ملساء ومستديرة بعد الطحن بالموجات فوق الصوتية.

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.

لتحديد ما إذا كان تقليل حجم الجسيمات وتعديل السطح يتحققان على نحو فريد بالطحن بالموجات فوق الصوتية، أُجريت تجارب مماثلة باستخدام مطحنة كرات عالية الطاقة. تُعرض النتائج في الشكل 3. ويتضح أن الطحن بالكرات لمدة 48 h أنتج جسيمات بأحجام 200–800 nm (مدة أطول بمقدار 12 مرة من الطحن بالموجات فوق الصوتية). ويُظهر المجهر الإلكتروني الماسح (SEM) أن الحواف الحادة لجسيمات سبيكة Bi₂Te₃ تظل دون تغيير يُذكر بعد الطحن. وتشير هذه النتائج إلى أن الحواف الملساء سمة مميزة للطحن بالموجات فوق الصوتية. كما أن توفير الوقت بالطحن بالموجات فوق الصوتية (4 h مقابل 48 h للطحن بالكرات) ملحوظ أيضًا.

توزيع أحجام الجسيمات وصور المجهر الإلكتروني الماسح (SEM) لـ Mg2Si 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 في 50% PVP–50% EtOH لمدة 2 h.
المصدر: Marquez-Garcia وآخرون، 2015.

خلص Marquez-Garcia وآخرون (2015) إلى أن الطحن بالموجات فوق الصوتية يمكن أن يفتت مسحوقَي Bi₂Te₃ وMg₂Si إلى جسيمات أصغر تتراوح أحجامها بين 40 و400 nm، مما يشير إلى إمكانية استخدام هذه التقنية لإنتاج الجسيمات النانوية صناعيًا. وبالمقارنة مع الطحن بالكرات عالي الطاقة، يتميز الطحن بالموجات فوق الصوتية بخاصيتين فريدتين:

1. 1. ظهور فجوة في أحجام الجسيمات تفصل الجسيمات الأصلية عن تلك الناتجة عن الطحن بالموجات فوق الصوتية؛ و
2. 2. ظهور تغييرات كبيرة في مورفولوجيا السطح بعد الطحن بالموجات فوق الصوتية، مما يشير إلى إمكانية تعديل أسطح الجسيمات.

الخلاصة

يتطلب طحن الجسيمات الأكثر صلابة بالموجات فوق الصوتية إجراء المعالجة تحت الضغط لتوليد تجويف شديد. وتزيد المعالجة بالموجات فوق الصوتية تحت ضغط مرتفع (المعروفة باسم manosonication) قوى القص والإجهاد الواقع على الجسيمات بدرجة كبيرة.
يتيح ترتيب المعالجة المستمرة بالموجات فوق الصوتية ضمن خط المعالجة تحميلًا أعلى بالجسيمات (معلّقًا شبيهًا بالعجينة)، مما يحسّن نتائج الطحن، لأن الطحن بالموجات فوق الصوتية يعتمد على التصادم بين الجسيمات.
تتيح المعالجة بالموجات فوق الصوتية في ترتيب منفصل لإعادة التدوير ضمان معالجة متجانسة لجميع الجسيمات، وبالتالي توزيعًا ضيقًا جدًا لأحجام الجسيمات.

من المزايا الرئيسية للطحن بالموجات فوق الصوتية إمكانية توسيع نطاق هذه التقنية بسهولة لإنتاج كميات كبيرة – إذ تستطيع معدات الطحن الصناعية القوية بالموجات فوق الصوتية المتاحة تجاريًا معالجة كميات تصل إلى 10m³/h.

مزايا الطحن بالموجات فوق الصوتية

• سريع وموفّر للوقت
• موفّر للطاقة
• نتائج قابلة للتكرار
• دون وسائط طحن (دون خرز أو حبيبات لؤلؤية)
• تكلفة استثمارية منخفضة

أجهزة معالجة بالموجات فوق الصوتية عالية الأداء

يتطلب الطحن بالموجات فوق الصوتية معدات موجات فوق صوتية عالية القدرة. وتُعد السعات العالية والضغط عاملين حاسمين لتوليد قوى قص شديدة ناتجة عن التجويف. تستطيع معالجات الموجات فوق الصوتية الصناعية من Hielscher Ultrasonics توفير سعات عالية جدًا. ويمكن تشغيلها بسهولة وباستمرار بسعات تصل إلى 200µm في تشغيل 24/7. وللحصول على سعات أعلى، تتوفر سونوترودات مخصصة للموجات فوق الصوتية. وبالاقتران مع مفاعلات التدفق القابلة للضغط من Hielscher، يتولد تجويف شديد جدًا يتيح التغلب على الروابط بين الجزيئات وتحقيق تأثيرات طحن فعالة.
تتيح متانة معدات الموجات فوق الصوتية من Hielscher تشغيلًا بنظام 24/7 تحت أحمال تشغيل شاقة وفي بيئات متطلبة. ويضمن التحكم الرقمي والتحكم عن بُعد، إلى جانب التسجيل التلقائي للبيانات على بطاقة SD مدمجة، معالجة دقيقة وجودة قابلة للتكرار، كما يتيح توحيد معايير العملية.

مزايا أجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية عالية الأداء من Hielscher

• سعات عالية جدًا
• ضغوط عالية
• عملية مستمرة ضمن خط المعالجة
• معدات متينة
• توسيع خطي للنطاق
• آمنة وسهلة التشغيل
• سهلة التنظيف