Ultralydsformaling af termoelektriske nanopulvere

• Forskning har vist, at ultralydsformaling med succes kan anvendes til fremstilling af termoelektriske nanopartikler og har potentiale til at manipulere partiklernes overflader.
• Ultralydsformalede partikler (f.eks. en Bi₂Te₃-baseret legering) udviste en betydelig størrelsesreduktion og frembragte nanopartikler med en størrelse på mindre end 10µm.
• Desuden medfører sonikering betydelige ændringer i partiklernes overflademorfologi og gør det dermed muligt at funktionalisere overfladen af mikro- og nanopartikler.

Termoelektriske nanopartikler

Termoelektriske materialer omdanner varmeenergi til elektrisk energi på grundlag af Seebeck- og Peltier-effekten. Dermed bliver det muligt effektivt at udnytte termisk energi, som ellers næppe kan anvendes eller næsten går tabt, til produktive anvendelser. Da termoelektriske materialer kan indgå i nye anvendelser såsom biotermiske batterier, termoelektrisk køling med faststofkomponenter, optoelektroniske enheder samt elproduktion i rumfarten og i køretøjer, søger forskning og industri efter enkle og hurtige teknikker til fremstilling af miljøvenlige, økonomiske termoelektriske nanopartikler, der er stabile ved høje temperaturer. Ultralydsformaling samt bottom-up-syntese (sonokrystallisation) er to lovende veje til hurtig masseproduktion af termoelektriske nanomaterialer.

Udstyr til ultralydsformaling

Til reduktion af partikelstørrelsen i pulver af bismuttellurid (Bi₂Te₃), magnesiumsilicid (Mg₂Si) og silicium (Si) blev ultralydssystemet med høj intensitet UIP1000hdT (1kW, 20kHz) anvendt i en opstilling med et åbent bægerglas. I alle forsøg blev amplituden indstillet til 140µm. Prøvebeholderen køles i et vandbad, og temperaturen styres ved hjælp af et termoelement. På grund af sonikering i en åben beholder blev der anvendt køling for at forhindre fordampning af formalingsvæskerne (f.eks. ethanol, butanol eller vand).

(a) Skematisk diagram over forsøgsopstillingen. (b) Apparatur til ultralydsformaling. Kilde: Marquez-Garcia et al. 2015.

Ultralydsformaling i kun 4h af Bi₂Te₃-legeringen gav allerede en betydelig mængde nanopartikler med størrelser mellem 150 og 400 nm. Ud over størrelsesreduktionen til nanoområdet medførte sonikeringen også en ændring af overflademorfologien. SEM-billederne b, c og d i figuren nedenfor viser, at partiklernes skarpe kanter før ultralydsformaling er blevet glatte og runde efter ultralydsformaling.

Partikelstørrelsesfordeling og SEM-billeder af en Bi2Te3-baseret legering før og efter ultralydsformaling. a – Partikelstørrelsesfordeling; b – SEM-billede før ultralydsformaling; c – SEM-billede efter ultralydsformaling i 4 h; d – SEM-billede efter ultralydsformaling i 8 h.
Kilde: Marquez-Garcia et al. 2015.

For at afgøre, om partikelstørrelsesreduktion og overflademodifikation udelukkende opnås ved ultralydsformaling, blev der udført lignende forsøg med en højenergikuglemølle. Resultaterne er vist i fig. 3. Det fremgår, at der blev fremstillet partikler på 200–800 nm ved kugleformaling i 48 h (12 gange længere end ultralydsformaling). SEM viser, at de skarpe kanter på partiklerne af Bi₂Te₃-legeringen forbliver stort set uændrede efter formaling. Disse resultater viser, at de glatte kanter er unikke kendetegn ved ultralydsformaling. Tidsbesparelsen ved ultralydsformaling (4 h mod 48 h kugleformaling) er også bemærkelsesværdig.

Partikelstørrelsesfordeling og SEM-billeder af Mg2Si før og efter ultralydsformaling. (a) Partikelstørrelsesfordeling; (b) SEM-billede før ultralydsformaling; (c) SEM-billede efter ultralydsformaling i 50% PVP–50% EtOH i 2 h.
Kilde: Marquez-Garcia et al. 2015.

Marquez-Garcia et al. (2015) konkluderer, at ultralydsformaling kan neddele pulver af Bi₂Te₃ og Mg₂Si til mindre partikler, hvis størrelser ligger mellem 40 og 400 nm, hvilket peger på en potentiel teknik til industriel produktion af nanopartikler. Sammenlignet med højenergikugleformaling har ultralydsformaling to unikke kendetegn:

1. 1. forekomsten af et hul i partikelstørrelsesfordelingen, som adskiller de oprindelige partikler fra dem, der fremstilles ved ultralydsformaling; og
2. 2. betydelige ændringer i overflademorfologien er tydelige efter ultralydsformaling, hvilket viser muligheden for at manipulere partiklernes overflader.

Konklusion

Ultralydsformaling af hårdere partikler kræver sonikering under tryk for at frembringe intens kavitation. Sonikering under forhøjet tryk (såkaldt manosonikering) øger forskydningskræfterne og belastningen på partiklerne drastisk.
En kontinuerlig inline-sonikeringsopstilling muliggør en højere partikelbelastning (pastalignende suspension), hvilket forbedrer formalingsresultaterne, da ultralydsformaling er baseret på kollisioner mellem partikler.
Sonikering i en diskret recirkulationsopstilling gør det muligt at sikre en ensartet behandling af alle partikler og dermed en meget snæver partikelstørrelsesfordeling.

En stor fordel ved ultralydsformaling er, at teknologien let kan opskaleres til produktion af store mængder – kommercielt tilgængelig, kraftig industriel ultralydsformaling kan håndtere mængder på op til 10m³/h.

Fordele ved ultralydsformaling

• Hurtig, tidsbesparende
• Energibesparende
• Reproducerbare resultater
• Ingen formalingsmedier (ingen kugler eller perler)
• Lave investeringsomkostninger

Højtydende ultralydsapparater

Ultralydsformaling kræver ultralydsudstyr med høj effekt. Høje amplituder og tryk er afgørende for at frembringe intense forskydningskræfter ved kavitation. Hielscher Ultrasonics’ industrielle ultralydsprocessorer kan levere meget høje amplituder. Amplituder på op til 200µm kan uden problemer opretholdes kontinuerligt i 24/7-drift. Til endnu højere amplituder fås kundetilpassede ultralydssonotroder. I kombination med Hielschers gennemstrømningsreaktorer, der kan sættes under tryk, frembringes meget intens kavitation, så intermolekylære bindinger kan overvindes, og effektive formalingseffekter opnås.
Robustheden af Hielschers ultralydsudstyr muliggør 24/7-drift ved høj belastning og i krævende miljøer. Digital styring og fjernstyring samt automatisk dataregistrering på et indbygget SD-kort sikrer præcis behandling og reproducerbar kvalitet og muliggør processtandardisering.

Fordele ved Hielschers højtydende ultralydsapparater

• meget høje amplituder
• høje tryk
• kontinuerlig inline-proces
• robust udstyr
• lineær opskalering
• sikre og nemme at betjene
• nemme at rengøre