Sonofragmentacija – učinak snažnog ultrazvuka na lomljenje čestica

Sonofragmentacija označava lomljenje čestica na fragmente nanometarskih dimenzija djelovanjem snažnog ultrazvuka. Za razliku od uobičajene ultrazvučne deaglomeracije i mljevenja – pri kojima se čestice uglavnom melju i razdvajaju međusobnim sudarima čestica – sonofragmentaciju odlikuje direktna interakcija između čestice i udarnog vala. Ultrazvuk velike snage i niske frekvencije stvara kavitaciju, a time i intenzivne smične sile u tekućinama. Ekstremni uvjeti kolapsa kavitacijskih mjehurića i sudari među česticama melju čestice u materijal vrlo fine veličine.

Ultrazvučna proizvodnja i priprema nanočestica

Učinci snažnog ultrazvuka na proizvodnju nanomaterijala dobro su poznati: dispergiranje, deaglomeracija te mljevenje i usitnjavanje, kao i fragmentacija ultrazvučnom obradom (sonikacijom), često su jedina efikasna metoda za obradu nanočestica. To posebno vrijedi za vrlo fine nanomaterijale s posebnim funkcionalnostima, jer se na nanoskali ispoljavaju jedinstvene karakteristike čestica. Da bi se dobio nanomaterijal sa specifičnim funkcionalnostima, mora se osigurati ujednačen i pouzdan proces ultrazvučne obrade. Hielscher isporučuje ultrazvučnu opremu od laboratorijske skale do pune komercijalne proizvodne veličine.

Sonofragmentacija kavitacijom

Unošenje snažnih ultrazvučnih sila u tekućine stvara ekstremne uvjete. Kada se ultrazvuk širi kroz tekući medij, ultrazvučni valovi uzrokuju naizmjenične cikluse kompresije i razrjeđenja (cikluse visokog i niskog pritiska). Tokom ciklusa niskog pritiska u tekućini nastaju sitni vakuumski mjehurići. Ovi kavitacijski mjehurići rastu tokom nekoliko ciklusa niskog pritiska sve dok ne dostignu veličinu pri kojoj ne mogu apsorbirati više energije. U tom stanju maksimalne apsorbirane energije i veličine mjehurića kavitacijski mjehurić silovito kolabira i lokalno stvara ekstremne uvjete. Zbog implozije kavitacijskih mjehurića lokalno se postižu vrlo visoke temperature od približno 5000K i pritisci od približno 2000atm. Implozija rezultira mlazovima tekućine brzine do 280m/s (≈1000km/h). Sonofragmentacija označava upotrebu tih intenzivnih sila za fragmentiranje čestica na manje dimenzije u submikronskom i nano rasponu. Kako ultrazvučna obrada napreduje, oblik čestica prelazi iz uglastog u sferni, što čestice čini vrijednijima. Rezultati sonofragmentacije izražavaju se kao brzina fragmentacije, koja se opisuje kao funkcija unesene snage, ozvučenog volumena i veličine aglomerata.
Kusters i sur. (1994) istraživali su ultrazvučno potpomognutu fragmentaciju aglomerata u odnosu na potrošnju energije. Rezultati istraživača „ukazuju na to da tehnika ultrazvučne disperzije može biti jednako efikasna kao konvencionalne tehnike mljevenja. Industrijska praksa ultrazvučne disperzije (npr. veće sonde, kontinuirani protok suspenzije) može donekle izmijeniti ove rezultate, ali se sveukupno očekuje da specifična potrošnja energije nije razlog za odabir ove tehnike usitnjavanja, nego njena sposobnost proizvodnje izuzetno finih (submikronskih) čestica.“ [Kusters et al. 1994] Posebno za erodirajuće praške poput silicijum-dioksida ili cirkonija, utvrđeno je da je specifična energija potrebna po jedinici mase praha niža pri ultrazvučnom mljevenju nego pri konvencionalnim metodama mljevenja. Ultrazvučna obrada na čestice djeluje ne samo mljevenjem i usitnjavanjem, nego i poliranjem krutih tvari. Na taj se način može postići visoka sferičnost čestica.

Sonofragmentacija za kristalizaciju nanomaterijala

„Iako se malo sumnja da se sudari među česticama zaista događaju u suspenzijama molekularnih kristala izloženih ultrazvuku, oni nisu dominantan izvor fragmentacije. Za razliku od molekularnih kristala, metalne čestice udarni valovi ne oštećuju direktno, a na njih mogu djelovati samo intenzivniji (ali mnogo rjeđi) sudari među česticama. Promjena dominantnih mehanizama pri ultrazvučnoj obradi metalnih prahova u odnosu na suspenzije aspirina ističe razlike u svojstvima kovnih metalnih čestica i krhkih molekularnih kristala.“ [Zeiger/ Suslick 2011, 14532]

Sonofragmentacija čestica aspirina [Zeiger/ Suslick 2011]

Gopi i sur. (2008) istraživali su izradu visokočistih submikrometarskih keramičkih čestica aluminijum-oksida (pretežno u rasponu ispod 100 nm) iz sirovine mikrometarske veličine (npr. 70-80 μm) primjenom sonofragmentacije. Primijetili su značajnu promjenu boje i oblika keramičkih čestica aluminijum-oksida kao rezultat sonofragmentacije. Čestice u mikronskom, submikronskom i nano rasponu veličina mogu se lako dobiti ultrazvučnom obradom velike snage. Sferičnost čestica rasla je s produljenjem vremena zadržavanja u akustičnom polju.

Disperzija u surfaktantu

Zbog efikasnog ultrazvučnog lomljenja čestica, upotreba surfaktanata je neophodna da bi se spriječila deaglomeracija dobivenih submikronskih i nanočestica. Što je manja veličina čestica, to je veći aspektni odnos površine, koja mora biti prekrivena surfaktantom kako bi čestice ostale u suspenziji i kako bi se izbjegla koagulacija (aglomeracija) čestica. Prednost ultrazvučne obrade leži u učinku dispergiranja: istovremeno s mljevenjem i fragmentacijom, ultrazvuk raspršuje samljevene fragmente čestica sa surfaktantom, tako da se aglomeracija nanočestica (gotovo) potpuno izbjegava.

Industrijska proizvodnja

Da bi se tržište opskrbilo visokokvalitetnim nanomaterijalom izvanrednih funkcionalnosti, potrebna je pouzdana procesna oprema. Ultrazvučni uređaji snage do 16kW po jedinici, koji se mogu povezivati u klastere, omogućuju obradu praktički neograničenih volumenskih tokova. Zahvaljujući potpuno linearnoj skalabilnosti ultrazvučnih procesa, ultrazvučne primjene mogu se bez rizika testirati u laboratoriju, optimizirati na stonoj skali, a zatim bez problema implementirati u proizvodnu liniju. Budući da ultrazvučna oprema ne zahtijeva puno prostora, može se čak naknadno ugraditi u postojeće procesne tokove. Rukovanje je jednostavno, a nadzor i upravljanje mogući su daljinski, dok je održavanje ultrazvučnog sistema gotovo zanemarivo.

Raspodjela veličine čestica i SEM snimci legure na bazi Bi2Te3 prije i poslije ultrazvučnog mljevenja. a – raspodjela veličine čestica; b – SEM snimak prije ultrazvučnog mljevenja; c – SEM snimak nakon ultrazvučnog mljevenja tokom 4 h; d – SEM snimak nakon ultrazvučnog mljevenja tokom 8 h.
izvor: Marquez-Garcia i sur. 2015.

Literatura / Reference

• 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.