Termoelektrik nanotozların ultrasəslə üyüdülməsi

• Tədqiqatlar göstərmişdir ki, ultrasəslə üyütmə termoelektrik nanohissəciklərin hazırlanması üçün uğurla istifadə edilə bilər və hissəciklərin səthlərini dəyişdirmək potensialına malikdir.
• Ultrasəslə üyüdülmüş hissəciklərin (məsələn, Bi₂Te₃ əsaslı ərintinin) ölçüsü əhəmiyyətli dərəcədə azalmış və ölçüsü 10µm-dən kiçik nanohissəciklər əldə edilmişdir.
• Bundan əlavə, sonikasiya hissəciklərin səth morfologiyasında əhəmiyyətli dəyişikliklər yaradır və bununla mikro və nanohissəciklərin səthini funksionallaşdırmağa imkan verir.

Termoelektrik nanohissəciklər

Termoelektrik materiallar Seebeck və Peltier effektləri əsasında istilik enerjisini elektrik enerjisinə çevirir. Bununla, istifadəsi çətin olan və ya demək olar ki, itirilmiş istilik enerjisindən səmərəli şəkildə faydalı tətbiqlərdə istifadə etmək mümkün olur. Termoelektrik materiallar biotermal batareyalar, bərk cisimli termoelektrik soyutma, optoelektronik qurğular, kosmosda və avtomobillərdə elektrik enerjisinin istehsalı kimi yeni tətbiqlərdə istifadə oluna bildiyindən, tədqiqatçılar və sənaye ekoloji cəhətdən təmiz, qənaətli və yüksək temperaturlarda dayanıqlı termoelektrik nanohissəciklər istehsal etmək üçün sadə və sürətli üsullar axtarırlar. Ultrasəslə üyütmə və aşağıdan yuxarıya sintez (sonokristallaşma) termoelektrik nanomaterialların sürətli kütləvi istehsalı üçün iki perspektivli yoldur.

Ultrasəslə üyütmə avadanlığı

Bismut tellurid (Bi₂Te₃), maqnezium silisid (Mg₂Si) və silisium (Si) tozlarının hissəcik ölçüsünü azaltmaq üçün yüksək intensivlikli ultrasəs sistemi UIP1000hdT (1kW, 20kHz) açıq laboratoriya stəkanı olan qurğuda istifadə edilmişdir. Bütün sınaqlarda amplituda 140µm olaraq təyin edilmişdir. Nümunə qabı su hamamında soyudulur, temperatur isə termocütlə nəzarətdə saxlanılır. Sonikasiya açıq qabda aparıldığından, üyütmə məhlullarının (məsələn, etanol, butanol və ya su) buxarlanmasının qarşısını almaq üçün soyutmadan istifadə edilmişdir.

(a) Eksperimental qurğunun sxematik diaqramı. (b) Ultrasəslə üyütmə aparatı. Mənbə: Marquez-Garcia et al. 2015.

Cəmi 4h ərzində ultrasəslə üyüdülmüş Bi₂Te₃ ərintisindən artıq ölçüləri 150 ilə 400 nm arasında olan əhəmiyyətli miqdarda nanohissəcik əldə edilmişdir. Ölçünün nanodiapazona qədər azalması ilə yanaşı, sonikasiya səth morfologiyasının dəyişməsinə də səbəb olmuşdur. Aşağıdakı şəkildəki b, c və d SEM təsvirləri göstərir ki, ultrasəslə üyütmədən əvvəl hissəciklərin iti kənarları ultrasəslə üyütmədən sonra hamar və yuvarlaq olmuşdur.

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

Hissəcik ölçüsünün azalması və səthin dəyişdirilməsinin yalnız ultrasəslə üyütmə ilə əldə edilib-edilmədiyini müəyyən etmək üçün yüksək enerjili kürəli dəyirmandan istifadə etməklə oxşar təcrübələr aparılmışdır. Nəticələr Şəkil 3-də göstərilmişdir. Aydındır ki, 48 h ərzində kürəli dəyirmanda üyütmə ilə (ultrasəslə üyütmədən 12 dəfə uzun müddətdə) 200–800 nm ölçülü hissəciklər əldə edilmişdir. SEM göstərir ki, Bi₂Te₃ ərintisi hissəciklərinin iti kənarları üyütmədən sonra əsasən dəyişməz qalır. Bu nəticələr göstərir ki, hamar kənarlar ultrasəslə üyütmənin özünəməxsus xüsusiyyətləridir. Ultrasəslə üyütmənin təmin etdiyi vaxt qənaəti də diqqətəlayiqdir (4 h, kürəli dəyirmanda üyütmədə isə 48 h).

Ultrasəslə üyütmədən əvvəl və sonra Mg2Si-nin hissəcik ölçüsü paylanması və SEM təsvirləri. (a) Hissəcik ölçüsü paylanması; (b) Ultrasəslə üyütmədən əvvəlki SEM təsviri; (c) 50% PVP–50% EtOH mühitində 2 h ultrasəslə üyütmədən sonrakı SEM təsviri.
Mənbə: Marquez-Garcia et al. 2015.

Marquez-Garcia et al. (2015) ultrasəslə üyütmənin Bi₂Te₃ və Mg₂Si tozlarını ölçüləri 40 ilə 400 nm arasında dəyişən daha kiçik hissəciklərə parçalaya bildiyi qənaətinə gəlirlər ki, bu da nanohissəciklərin sənaye istehsalı üçün potensial bir üsul olduğunu göstərir. Yüksək enerjili kürəli dəyirmanda üyütmə ilə müqayisədə ultrasəslə üyütmənin iki özünəməxsus xüsusiyyəti var:

1. 1. İlkin hissəcikləri ultrasəslə üyütmə nəticəsində yaranan hissəciklərdən ayıran hissəcik ölçüsü boşluğunun meydana gəlməsi; və
2. 2. Ultrasəslə üyütmədən sonra səth morfologiyasında əhəmiyyətli dəyişikliklərin aydın görünməsi, bu da hissəciklərin səthlərini dəyişdirmək imkanını göstərir.

Nəticə

Daha sərt hissəciklərin ultrasəslə üyüdülməsi intensiv kavitasiya yaratmaq üçün təzyiq altında sonikasiya tələb edir. Yüksəldilmiş təzyiq altında sonikasiya (manosonikasiya adlandırılır) kəsilmə qüvvələrini və hissəciklərə təsir edən gərginliyi kəskin şəkildə artırır.
Fasiləsiz axın xəttində sonikasiya qurğusu daha yüksək hissəcik yükünə (pastaya bənzər suspenziyaya) imkan verir ki, bu da üyütmə nəticələrini yaxşılaşdırır, çünki ultrasəslə üyütmə hissəciklərarası toqquşmaya əsaslanır.
Ayrıca resirkulyasiya qurğusunda sonikasiya bütün hissəciklərin homogen emalını və buna görə də çox dar hissəcik ölçüsü paylanmasını təmin etməyə imkan verir.

Ultrasəslə üyütmənin əsas üstünlüklərindən biri bu texnologiyanın böyük miqdarda istehsal üçün asanlıqla miqyaslandırıla bilməsidir – kommersiya baxımından mövcud olan güclü sənaye ultrasəslə üyütmə avadanlığı 10m³/h-ə qədər həcmdə materialı emal edə bilir.

Ultrasəslə üyütmənin üstünlükləri

• Sürətli, vaxta qənaət edən
• Enerjiyə qənaət edən
• Təkrar əldə edilə bilən nəticələr
• Üyüdücü cisimlər tələb olunmur (dənəciklər və ya kürəciklər yoxdur)
• Aşağı investisiya xərci

Yüksək məhsuldarlıqlı ultrasəs cihazları

Ultrasəslə üyütmə yüksək güclü ultrasəs avadanlığı tələb edir. İntensiv kavitasiya mənşəli kəsilmə qüvvələri yaratmaq üçün yüksək amplitudalar və təzyiq həlledici əhəmiyyət daşıyır. Hielscher Ultrasonics şirkətinin sənaye ultrasəs prosessorları çox yüksək amplitudalar təmin edə bilir. 200µm-ə qədər amplitudalarda 24/7 rejimində fasiləsiz işləmək asanlıqla mümkündür. Daha yüksək amplitudalar üçün xüsusi hazırlanmış ultrasəs sonotrodları mövcuddur. Hielscher şirkətinin təzyiq altında işləyə bilən axın reaktorları ilə birlikdə çox intensiv kavitasiya yaradılır ki, bunun sayəsində molekullararası rabitələr qırıla və səmərəli üyütmə təsirləri əldə edilə bilir.
Hielscher şirkətinin ultrasəs avadanlığının möhkəmliyi yüksək yüklənmə və çətin şəraitdə 24/7 rejimində işləməyə imkan verir. Rəqəmsal və məsafədən idarəetmə, həmçinin məlumatların daxili SD karta avtomatik yazılması dəqiq emalı, təkrar əldə edilə bilən keyfiyyəti təmin edir və prosesin standartlaşdırılmasına imkan verir.

Hielscher yüksək məhsuldarlıqlı ultrasəs cihazlarının üstünlükləri

• çox yüksək amplitudalar
• yüksək təzyiqlər
• axın xəttində fasiləsiz proses
• möhkəm avadanlıq
• xətti miqyaslandırma
• təhlükəsiz və asan istismar
• asan təmizləmə