Ultrazvukové mletí termoelektrických nanoprášků

• Výzkum ukázal, že ultrazvukové mletí lze úspěšně využít k výrobě termoelektrických nanočástic a že má potenciál upravovat povrchy částic.
• Ultrazvukově mleté částice (např. slitina na bázi Bi₂Te₃) vykázaly výrazné zmenšení velikosti a vznikly z nich nanočástice o velikosti menší než 10µm.
• Sonikace navíc vyvolává výrazné změny morfologie povrchu částic, a umožňuje tak funkcionalizovat povrch mikro- a nanočástic.

Termoelektrické nanočástice

Termoelektrické materiály přeměňují tepelnou energii na elektrickou energii na základě Seebeckova a Peltierova jevu. Díky tomu je možné efektivně využít obtížně využitelnou nebo téměř ztracenou tepelnou energii v produktivních aplikacích. Jelikož termoelektrické materiály mohou být začleněny do nových aplikací, jako jsou biotermální baterie, polovodičové termoelektrické chlazení, optoelektronická zařízení, kosmonautika a výroba energie v automobilech, hledají výzkum i průmysl jednoduché a rychlé techniky výroby ekologických, ekonomických a za vysokých teplot stabilních termoelektrických nanočástic. Ultrazvukové mletí stejně jako syntéza zdola nahoru (sonokrystalizace) představují dvě slibné cesty k rychlé hromadné výrobě termoelektrických nanomateriálů.

Zařízení pro ultrazvukové mletí

Pro zmenšení velikosti částic prášků teluridu bismutitého (Bi₂Te₃), silicidu hořečnatého (Mg₂Si) a křemíku (Si) byl použit vysoce intenzivní ultrazvukový systém UIP1000hdT (1kW, 20kHz) v uspořádání s otevřenou kádinkou. Pro všechny pokusy byla amplituda nastavena na 140µm. Nádoba se vzorkem je chlazena ve vodní lázni, teplota je kontrolována termočlánkem. Vzhledem k sonikaci v otevřené nádobě bylo použito chlazení, aby se zabránilo odpařování mlecích roztoků (např. ethanolu, butanolu nebo vody).

(a) Schematický diagram experimentálního uspořádání. (b) Zařízení pro ultrazvukové mletí. zdroj: Marquez-Garcia et al. 2015.

Pouhé 4h ultrazvukového mletí slitiny Bi₂Te₃ již vedly ke vzniku značného množství nanočástic o velikostech mezi 150 a 400 nm. Kromě zmenšení velikosti do nanorozměrů vedla sonikace také ke změně morfologie povrchu. Snímky SEM b, c a d na obrázku níže ukazují, že ostré hrany částic před ultrazvukovým mletím se po ultrazvukovém mletí staly hladkými a zaoblenými.

Distribuce velikosti částic a snímky SEM slitiny na bázi Bi2Te3 před ultrazvukovým mletím a po něm. a – distribuce velikosti částic; b – snímek SEM před ultrazvukovým mletím; c – snímek SEM po ultrazvukovém mletí po dobu 4 h; d – snímek SEM po ultrazvukovém mletí po dobu 8 h.
zdroj: Marquez-Garcia et al. 2015.

Aby se zjistilo, zda jsou zmenšení velikosti částic a modifikace povrchu dosahovány výhradně ultrazvukovým mletím, byly provedeny podobné experimenty s použitím vysokoenergetického kulového mlýna. Výsledky jsou uvedeny na obr. 3. Je zřejmé, že kulovým mletím po dobu 48 h (12krát déle než ultrazvukové mletí) vznikly částice o velikosti 200–800 nm. SEM ukazuje, že ostré hrany částic slitiny Bi₂Te₃ zůstávají po mletí v podstatě nezměněny. Tyto výsledky naznačují, že hladké hrany jsou jedinečnou charakteristikou ultrazvukového mletí. Pozoruhodná je také časová úspora díky ultrazvukovému mletí (4 h oproti 48 h kulového mletí).

Distribuce velikosti částic a snímky SEM Mg2Si před ultrazvukovým mletím a po něm. (a) Distribuce velikosti částic; (b) snímek SEM před ultrazvukovým mletím; (c) snímek SEM po ultrazvukovém mletí v 50% PVP–50% EtOH po dobu 2 h.
zdroj: Marquez-Garcia et al. 2015.

Marquez-Garcia et al. (2015) dospěli k závěru, že ultrazvukové mletí dokáže rozložit prášky Bi₂Te₃ a Mg₂Si na menší částice o velikosti od 40 do 400 nm, což naznačuje potenciální techniku pro průmyslovou výrobu nanočástic. Ve srovnání s vysokoenergetickým kulovým mletím má ultrazvukové mletí dvě jedinečné charakteristiky:

1. 1. výskyt mezery ve velikosti částic, která odděluje původní částice od částic vzniklých ultrazvukovým mletím; a
2. 2. po ultrazvukovém mletí jsou patrné podstatné změny morfologie povrchu, což naznačuje možnost upravovat povrchy částic.

Závěr

Ultrazvukové mletí tvrdších částic vyžaduje sonikaci pod tlakem, aby vznikla intenzivní kavitace. Sonikace za zvýšeného tlaku (tzv. manosonikace) drasticky zvyšuje smykové síly a namáhání částic.
Kontinuální inline sonikační uspořádání umožňuje vyšší zatížení částicemi (pastovitá suspenze), což zlepšuje výsledky mletí, protože ultrazvukové mletí je založeno na srážkách mezi částicemi.
Sonikace v diskrétním recirkulačním uspořádání umožňuje zajistit homogenní zpracování všech částic, a tedy velmi úzkou distribuci velikosti částic.

Hlavní výhodou ultrazvukového mletí je, že technologii lze snadno převést do většího měřítka pro výrobu velkých množství – komerčně dostupné výkonné průmyslové ultrazvukové mletí dokáže zpracovat množství až 10m³/h.

Výhody ultrazvukového mletí

• Rychlé, časově úsporné
• Energeticky úsporné
• Reprodukovatelné výsledky
• Žádná mlecí média (žádné kuličky ani perly)
• Nízké investiční náklady

Vysoce výkonné ultrazvukové přístroje

Ultrazvukové mletí vyžaduje vysoce výkonné ultrazvukové zařízení. Pro generování intenzivních kavitačních smykových sil jsou rozhodující vysoké amplitudy a tlak. Průmyslové ultrazvukové procesory Hielscher Ultrasonics dokážou dodávat velmi vysoké amplitudy. Amplitudy až 200µm lze snadno provozovat nepřetržitě v režimu 24/7. Pro ještě vyšší amplitudy jsou k dispozici zakázkové ultrazvukové sonotrody. V kombinaci s tlakovatelnými průtokovými reaktory Hielscher vzniká velmi intenzivní kavitace, takže lze překonat mezimolekulární vazby a dosáhnout účinných mlecích efektů.
Robustnost ultrazvukových zařízení Hielscher umožňuje provoz 24/7 při vysokém zatížení a v náročných prostředích. Digitální a dálkové ovládání i automatický záznam dat na vestavěnou SD kartu zajišťují přesné zpracování a reprodukovatelnou kvalitu a umožňují standardizaci procesu.

Výhody vysoce výkonných ultrazvukových přístrojů Hielscher

• velmi vysoké amplitudy
• vysoké tlaky
• kontinuální inline proces
• robustní zařízení
• lineární převod do většího měřítka
• bezpečná a snadná obsluha
• snadné čištění