Sonofraqmentasiya – Güclü ultrasəsin hissəciklərin parçalanmasına təsiri

Sonofraqmentasiya yüksək güclü ultrasəs vasitəsilə hissəciklərin nanoölçülü fraqmentlərə parçalanmasını ifadə edir. Hissəciklərin əsasən hissəciklərarası toqquşmalar nəticəsində üyüdüldüyü və bir-birindən ayrıldığı adi ultrasəs deaq lomerasiyası və üyütmədən fərqli olaraq, sonofraqmentasiya hissəciklə zərbə dalğası arasında birbaşa qarşılıqlı təsirlə səciyyələnir. Yüksək güclü / aşağı tezlikli ultrasəs kavitasiya yaradır və bununla da mayelərdə intensiv kəsilmə qüvvələri əmələ gətirir. Kavitasiya qabarcıqlarının çökməsi və hissəciklərarası toqquşmalar zamanı yaranan ekstremal şərait hissəcikləri çox xırda ölçülü materiala qədər üyüdür.

Nanohissəciklərin ultrasəs vasitəsilə istehsalı və hazırlanması

Nanomaterialların istehsalında güclü ultrasəsin təsirləri yaxşı məlumdur: dispersləşdirmə, deaqlomerasiya, üyütmə və xırdalama, eləcə də ultrasəslə fraqmentasiya çox vaxt aşağıdakıların emalı üçün yeganə səmərəli üsuldur: nanohissəciklər. Bu, xüsusən xüsusi funksional xüsusiyyətlərə malik çox xırda nanomateriallara aiddir, çünki nanoölçülərdə hissəciklərin unikal xüsusiyyətləri üzə çıxır. Müəyyən funksional xüsusiyyətlərə malik nanomaterial yaratmaq üçün bərabər və etibarlı ultrasəs emalı prosesi təmin edilməlidir. Hielscher laboratoriya miqyasından tam kommersiya istehsalı miqyasına qədər ultrasəs avadanlığı təchiz edir.

Kavitasiya vasitəsilə sonofraqmentasiya

Mayelərə güclü ultrasəs qüvvələrinin tətbiqi ekstremal şərait yaradır. Ultrasəs maye mühitdə yayıldıqda ultrasəs dalğaları növbələşən sıxılma və seyrəkləşmə dövrlərinə (yüksək və aşağı təzyiq dövrlərinə) səbəb olur. Aşağı təzyiq dövrlərində mayedə kiçik vakuum qabarcıqları yaranır. Bu kavitasiya qabarcıqları bir neçə aşağı təzyiq dövrü ərzində böyüyərək daha çox enerji uda bilmədikləri ölçüyə çatır. Udulmuş enerjinin və qabarcıq ölçüsünün maksimum olduğu bu vəziyyətdə kavitasiya qabarcığı şiddətlə çökür və lokal olaraq ekstremal şərait yaradır. İmploziyaya uğrayan kavitasiya qabarcıqları səbəbindən lokal olaraq təxminən 5000K kimi çox yüksək temperaturlara və təxminən 2000atm təzyiqlərə çatılır. İmploziya sürəti 280m/s-yə (≈1000km/h) qədər olan maye şırnaqları yaradır. Sonofraqmentasiya hissəcikləri submikron və nano diapazonda daha kiçik ölçülərə parçalamaq üçün bu intensiv qüvvələrdən istifadəni ifadə edir. Ultrasəs emalı davam etdikcə hissəciklərin forması bucaqlıdan sferik formaya keçir və bu da onları daha qiymətli edir. Sonofraqmentasiyanın nəticələri fraqmentasiya sürəti ilə ifadə olunur; bu sürət daxil edilən gücün, ultrasəslə emal olunan həcmin və aqlomeratların ölçüsünün funksiyası kimi təsvir edilir.
Kusters və b. (1994) aqlomeratların ultrasəs dəstəkli fraqmentasiyasını onun enerji sərfiyyatı ilə əlaqəli şəkildə araşdırmışlar. Tədqiqatçıların nəticələri „ultrasəs dispersləşdirmə üsulunun ənənəvi üyütmə üsulları qədər səmərəli ola biləcəyini göstərir. Ultrasəs dispersləşdirməsinin sənayedə tətbiqi (məsələn, daha böyük zondlar, suspenziyanın fasiləsiz emalı) bu nəticələri müəyyən qədər dəyişə bilər, lakin ümumilikdə bu xırdalama üsulunun seçilmə səbəbinin xüsusi enerji sərfiyyatı deyil, onun son dərəcə xırda (submikron) hissəciklər istehsal etmək qabiliyyəti olduğu gözlənilir.“ [Kusters et al. 1994] Xüsusən eroziyaya məruz qalan tozlar üçün, məsələn, silisium dioksid və ya sirkonium dioksid üçün, tozun vahid kütləsinə tələb olunan xüsusi enerjinin ultrasəslə üyütmədə ənənəvi üyütmə üsullarına nisbətən daha az olduğu müəyyən edilmişdir. Ultrasəs emalı hissəciklərə yalnız üyütmə və xırdalama yolu ilə deyil, həm də bərk maddələri cilalamaqla təsir göstərir. Bununla hissəciklərin yüksək sferikliyinə nail olmaq mümkündür.

Nanomaterialların kristallaşdırılması üçün sonofraqmentasiya

„Ultrasəs şüalanmasına məruz qalan molekulyar kristalların suspenziyalarında hissəciklərarası toqquşmaların həqiqətən baş verdiyinə çox az şübhə olsa da, bunlar fraqmentasiyanın əsas mənbəyi deyil. Molekulyar kristallardan fərqli olaraq, metal hissəcikləri zərbə dalğaları ilə birbaşa zədələnmir və onlara yalnız daha intensiv (lakin daha nadir) hissəciklərarası toqquşmalar təsir edə bilər. Metal tozlarının və aspirin suspenziyalarının ultrasəslə emalında üstünlük təşkil edən mexanizmlərin dəyişməsi döyülə bilən metal hissəcikləri ilə asanlıqla ovulan molekulyar kristalların xüsusiyyətləri arasındakı fərqləri vurğulayır.“ [Zeiger/ Suslick 2011, 14532]

Aspirin hissəciklərinin sonofraqmentasiyası [Zeiger/ Suslick 2011]

Gopi və b. (2008) sonofraqmentasiya vasitəsilə mikrometr ölçülü ilkin materialdan (məsələn, 70-80 μm) yüksək təmizlikli submikrometr ölçülü alüminium oksid keramika hissəciklərinin (əsasən 100 nm-dən kiçik diapazonda) hazırlanmasını araşdırmışlar. Onlar sonofraqmentasiya nəticəsində alüminium oksid keramika hissəciklərinin rəngində və formasında əhəmiyyətli dəyişiklik müşahidə etmişlər. Yüksək güclü ultrasəs emalı ilə mikron, submikron və nanoölçü diapazonlarında hissəcikləri asanlıqla əldə etmək mümkündür. Akustik sahədə qalma müddəti artdıqca hissəciklərin sferikliyi də artmışdır.

Səthi aktiv maddədə dispersləşdirmə

Ultrasəsin hissəcikləri səmərəli şəkildə parçalaması səbəbindən, əldə olunan submikron və nanoölçülü hissəciklərin deaqlomerasiyasının qarşısını almaq üçün səthi aktiv maddələrin istifadəsi vacibdir. Hissəcik ölçüsü nə qədər kiçik olarsa, səth sahəsinin aspekt nisbəti bir o qədər yüksək olur; hissəcikləri suspenziyada saxlamaq və onların koaqulyasiyasının (aqlomerasiyasının) qarşısını almaq üçün bu səth səthi aktiv maddə ilə örtülməlidir. Ultrasəs emalının üstünlüyü onun dispersləşdirici təsirindədir: üyütmə və fraqmentasiya ilə eyni vaxtda ultrasəs üyüdülmüş hissəcik fraqmentlərini səthi aktiv maddə ilə dispersləşdirir, beləliklə nanohissəciklərin aqlomerasiyasının (demək olar ki) tamamilə qarşısı alınır.

Sənaye istehsalı

Bazarı qeyri-adi funksional xüsusiyyətlərə malik yüksək keyfiyyətli nanomaterialla təmin etmək üçün etibarlı emal avadanlığı tələb olunur. Hər birinin gücü 16kW qədər olan və qruplarda birləşdirilə bilən ultrasəs cihazları faktiki olaraq qeyri-məhdud həcmli axınların emalına imkan verir. Ultrasəs proseslərinin tam xətti miqyaslandırılması sayəsində ultrasəs tətbiqləri laboratoriyada risksiz sınaqdan keçirilə, masaüstü miqyasda optimallaşdırıla və sonra problemsiz şəkildə istehsal xəttinə tətbiq edilə bilər. Ultrasəs avadanlığı böyük sahə tələb etmədiyindən, onu hətta mövcud texnoloji axınlara sonradan əlavə etmək mümkündür. İstismar asandır və məsafədən idarəetmə vasitəsilə izlənə və həyata keçirilə bilər; ultrasəs sisteminə texniki qulluq ehtiyacı isə demək olar ki, nəzərə alınmayacaq qədər azdır.

Ultrasəslə üyütmədən əvvəl və sonra Bi2Te3 əsaslı ərintinin hissəcik ölçülərinin paylanması və SEM təsvirləri. a – Hissəcik ölçülərinin paylanması; b – Ultrasəslə üyütmədən əvvəl SEM təsviri; c – 4 h ultrasəslə üyütmədən sonra SEM təsviri; d – 8 h ultrasəslə üyütmədən sonra SEM təsviri.
mənbə: Marquez-Garcia et al. 2015.

Ədəbiyyat / İstinadlar

• 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.