Sonofraqmentasiya – Güclü Ultrasəsin Hissəciklərin Qırılmasına Təsiri

Sonofraqmentasiya yüksək güclü ultrasəs vasitəsilə hissəciklərin nano ölçülü fraqmentlərə parçalanmasını təsvir edir. Ümumi ultrasəs deagglomeration və freze fərqli olaraq – burada hissəciklər əsasən üyüdülür və hissəciklərarası toqquşma ilə ayrılır – , sono-parçalanma hissəcik və şok dalğası arasında birbaşa qarşılıqlı əlaqə ilə fərqlənir. Yüksək güclü/aşağı tezlikli ultrasəs mayelərdə kavitasiya və bununla da sıx kəsmə qüvvələri yaradır. Kavitasiya qabarcığının çökməsinin və hissələrarası toqquşmanın ekstremal şəraiti hissəcikləri çox incə ölçülü materiala qədər üyüdür.

Nanohissəciklərin ultrasəs istehsalı və hazırlanması

Nano materialların istehsalı üçün güc ultrasəsinin təsirləri yaxşı məlumdur: Dispersiya, Deagglomeration və Frezeleme & Taşlama, eləcə də sonikasiya ilə parçalanma tez-tez müalicə üçün yeganə təsirli üsuldur nano hissəciklər. Bu, xüsusilə nano ölçülü unikal hissəcik xüsusiyyətləri ifadə edildiyi üçün xüsusi funksiyaları olan çox incə nano materiallara gəldikdə doğrudur. Xüsusi funksiyaları olan nano material yaratmaq üçün bərabər və etibarlı sonikasiya prosesi təmin edilməlidir. Hielscher, laboratoriya miqyasından tam kommersiya istehsal ölçüsünə qədər ultrasəs avadanlıqları təmin edir.

Kavitasiya ilə Sono-Fraqmentasiya

Güclü ultrasəs qüvvələrinin mayelərə daxil olması ekstremal şərait yaradır. Ultrasəs maye mühiti yaydıqda, ultrasəs dalğaları alternativ sıxılma və nadirləşmə dövrləri ilə nəticələnir (yüksək təzyiq və aşağı təzyiq dövrləri). Aşağı təzyiq dövrləri zamanı mayedə kiçik vakuum qabarcıqları yaranır. Bunlar kavitasiya baloncuklar daha çox enerji qəbul edə bilməyən bir ölçüyə çatana qədər bir neçə aşağı təzyiq dövrü ərzində böyüyürlər. Maksimum udulmuş enerji və qabarcıq ölçüsünün bu vəziyyətdə kavitasiya qabarcığı şiddətlə çökür və yerli olaraq ekstremal şərait yaradır. Partlamasına görə kavitasiya baloncuklar, çox yüksək temperaturlar təqribən. 5000K və təqribən təzyiqlər. Yerli olaraq 2000atm-ə çatılır. Partlayış 280m/s (≈1000km/saat) sürətə çatan maye axını ilə nəticələnir. Sono-parçalanma, sub-mikron və nano diapazonda hissəcikləri daha kiçik ölçülərə bölmək üçün bu sıx qüvvələrin istifadəsini təsvir edir. İrəliləyən sonikasiya ilə hissəciklərin forması bucaqdan sferikə çevrilir, bu da hissəcikləri daha qiymətli edir. Sonofraqmentasiyanın nəticələri güc girişi, sonikləşdirilmiş həcm və aglomeratların ölçüsü funksiyası kimi təsvir edilən parçalanma dərəcəsi kimi ifadə edilir.
Kusters və başqaları. (1994) enerji istehlakı ilə əlaqədar olaraq aglomeratların ultrasəs köməyi ilə parçalanmasını tədqiq etdi. Tədqiqatçıların nəticələri “ultrasəs dispersiya texnikasının adi üyütmə üsulları qədər səmərəli ola biləcəyini göstərir. Ultrasəs dispersiyanın sənaye təcrübəsi (məsələn, daha böyük zondlar, dayandırmanın davamlı ötürmə qabiliyyəti) bu nəticələri bir qədər dəyişdirə bilər, lakin ümumiyyətlə, xüsusi enerji istehlakının bu kominutron texnikasının seçilməsinə səbəb olmadığı, əksinə onun son dərəcə incə (submikron) hissəciklər əmələ gətirir.” [Kusters et al. 1994] Xüsusilə kimi tozları aşındırmaq üçün silisium və ya sirkon, vahid toz kütləsi üçün tələb olunan xüsusi enerjinin adi üyüdmə üsullarından daha ultrasəs üyüdülməsi ilə daha az olduğu aşkar edilmişdir. Ultrasonication yalnız frezeleme və üyüdülmə ilə deyil, həm də bərk maddələrin cilalanması ilə hissəciklərə təsir göstərir. Beləliklə, hissəciklərin yüksək sferikliyinə nail olmaq olar.

Nanomaterialların Kristallaşması üçün Sono-parçalanma

“Hərçənd hissəciklərarası toqquşmaların ultrasəslə şüalanan molekulyar kristalların şlamlarında baş verdiyinə şübhə olmasa da, onlar parçalanmanın əsas mənbəyi deyil. Molekulyar kristallardan fərqli olaraq, metal hissəciklər birbaşa şok dalğaları ilə zədələnmir və yalnız daha sıx (lakin daha nadir) hissəciklərarası toqquşmalardan təsirlənə bilər. Aspirin şlamlarına qarşı metal tozlarının sonikasiyası üçün dominant mexanizmlərin dəyişməsi əyilə bilən metal hissəciklərin və kövrək molekulyar kristalların xassələrindəki fərqləri vurğulayır." [Zeiger/ Suslick 2011, 14532]

Aspirin hissəciklərinin sonofragmentasiyası [Zeiger/ Suslick 2011]

Gopi və başqaları. (2008) sonofraqmentasiyadan istifadə edərək mikrometr ölçülü yemdən (məsələn, 70-80 μm) yüksək təmizlikli submikrometrli alüminium keramika hissəciklərinin (əsasən 100 nm-dən aşağı diapazonda) hazırlanmasını tədqiq etmişdir. Sono-parçalanma nəticəsində alüminium oksidi keramika hissəciklərinin rəngində və formasında əhəmiyyətli dəyişiklik müşahidə etdilər. Mikron, submikron və nano ölçülü diapazondakı hissəciklər yüksək güclü sonikasiya ilə asanlıqla əldə edilə bilər. Hissəciklərin sferikliyi akustik sahədə saxlama müddəti artdıqca artdı.

Səthi aktiv maddədə dispersiya

Effektiv ultrasəs hissəciklərinin qırılması səbəbindən, əldə edilən sub-mikron və nano ölçülü hissəciklərin deaglomerasiyasının qarşısını almaq üçün səthi aktiv maddələrin istifadəsi vacibdir. Hissəciklərin ölçüsü nə qədər kiçik olarsa, səth sahəsinin apekt nisbəti bir o qədər yüksəkdir, onları süspansiyonda saxlamaq və hissəciklərin laxtalanmasının (aqlomerasiyası) qarşısını almaq üçün səthi aktiv maddə ilə örtülməlidir. Ultrasonikasiyanın üstünlüyü dispers effektindədir: Taşlama və parçalanma ilə eyni vaxtda ultrasəslər üyüdülmüş hissəcik fraqmentlərini səthi aktiv maddə ilə səpələyir ki, nanohissəciklərin yığılması (demək olar ki) tamamilə qarşısı alınır.

sənaye istehsalı

Qeyri-adi funksionallıqları ifadə edən yüksək keyfiyyətli nano materialla bazara xidmət göstərmək üçün etibarlı emal avadanlığı tələb olunur. Kümeləşdirilə bilən vahid başına 16 kVt-a qədər olan ultrasəs cihazları, demək olar ki, qeyri-məhdud həcmli axınları emal etməyə imkan verir. Ultrasəs proseslərinin tam xətti miqyaslı olması səbəbindən, ultrasəs tətbiqləri laboratoriyada risksiz sınaqdan keçirilə bilər, tezgah üstü miqyasda optimallaşdırıla bilər və daha sonra istehsal xəttində problem olmadan həyata keçirilə bilər. Ultrasəs avadanlığı böyük yer tələb etmədiyi üçün onu hətta mövcud proses axınlarına əlavə etmək olar. Əməliyyat asandır və uzaqdan idarəetmə vasitəsi ilə izlənilə və idarə oluna bilər, ultrasəs sisteminə texniki qulluq isə demək olar ki, laqeyddir.

Ultrasəs frezelemedən əvvəl və sonra Bi2Te3 əsaslı ərintinin hissəcik ölçüsünün paylanması və SEM şəkilləri. a – hissəcik ölçüsü paylanması; b – ultrasəs frezeleme əvvəl SEM image; c – 4 saat ultrasəs frezeleme sonra SEM image; d – 8 saat ultrasəs frezeleme sonra SEM image.
mənbə: Marquez-Garcia et al. 2015.

Ədəbiyyat / İstinadlar