Sonofragmentación – El efecto de los ultrasonidos de potencia sobre la rotura de partículas

La sonofragmentación describe la rotura de partículas en fragmentos de tamaño nanométrico mediante ultrasonidos de alta potencia. A diferencia de la desaglomeración y la molienda ultrasónicas habituales –en las que las partículas se trituran y separan principalmente por colisiones entre partículas–, la sonofragmentación se distingue por la interacción directa entre la partícula y la onda de choque. Los ultrasonidos de alta potencia y baja frecuencia generan cavitación y, con ello, intensas fuerzas de cizallamiento en los líquidos. Las condiciones extremas del colapso de las burbujas de cavitación y de las colisiones entre partículas trituran las partículas hasta obtener un material de tamaño muy fino.

Producción y preparación de nanopartículas mediante ultrasonidos

Los efectos de los ultrasonidos de potencia en la producción de nanomateriales son bien conocidos: la dispersión, la desaglomeración, la molienda y la trituración, así como la fragmentación mediante sonicación, suelen ser el único método eficaz para tratar nanopartículas. Esto es especialmente cierto en el caso de nanomateriales muy finos con funcionalidades especiales, ya que a escala nanométrica se manifiestan características únicas de las partículas. Para crear nanomateriales con funcionalidades específicas, debe garantizarse un proceso de sonicación uniforme y fiable. Hielscher suministra equipos ultrasónicos desde la escala de laboratorio hasta la producción comercial a gran escala.

Sonofragmentación por cavitación

La aplicación de intensas fuerzas ultrasónicas a los líquidos genera condiciones extremas. Cuando los ultrasonidos se propagan por un medio líquido, las ondas ultrasónicas producen ciclos alternos de compresión y rarefacción (ciclos de alta y baja presión). Durante los ciclos de baja presión, se forman pequeñas burbujas de vacío en el líquido. Estas burbujas de cavitación crecen a lo largo de varios ciclos de baja presión hasta alcanzar un tamaño en el que ya no pueden absorber más energía. En este estado de máxima energía absorbida y máximo tamaño de la burbuja, la burbuja de cavitación colapsa violentamente y genera condiciones extremas a escala local. Debido a la implosión de las burbujas de cavitación , se alcanzan localmente temperaturas muy elevadas de aproximadamente 5000K y presiones de aproximadamente 2000atm. La implosión produce chorros de líquido con velocidades de hasta 280 m/s (≈1000 km/h). La sonofragmentación describe el uso de estas intensas fuerzas para fragmentar las partículas hasta tamaños menores, en el intervalo submicrométrico y nanométrico. A medida que avanza la sonicación, la forma de las partículas pasa de angular a esférica, lo que aumenta su valor. Los resultados de la sonofragmentación se expresan como una tasa de fragmentación, que se describe en función de la potencia aplicada, el volumen sonicado y el tamaño de los aglomerados.
Kusters et al. (1994) investigaron la fragmentación de aglomerados asistida por ultrasonidos en relación con su consumo energético. Los resultados de los investigadores «indican que la técnica de dispersión ultrasónica puede ser tan eficiente como las técnicas de molienda convencionales. La aplicación industrial de la dispersión ultrasónica (p. ej., sondas de mayor tamaño y un caudal continuo de suspensión) puede modificar estos resultados en cierta medida, pero, en general, se prevé que el consumo energético específico no sea el motivo para seleccionar esta técnica de conminución, sino su capacidad para producir partículas extremadamente finas (submicrométricas)». [Kusters et al. 1994] Especialmente en el caso de polvos que se erosionan, como sílice o zirconia, se observó que la energía específica necesaria por unidad de masa de polvo era menor con la molienda ultrasónica que con los métodos de molienda convencionales. La sonicación afecta a las partículas no solo mediante la molienda y la trituración, sino también mediante el pulido de los sólidos. De este modo, puede lograrse una elevada esfericidad de las partículas.

Sonofragmentación para la cristalización de nanomateriales

«Aunque apenas hay dudas de que se producen colisiones entre partículas en las suspensiones de cristales moleculares irradiadas con ultrasonidos, estas no son la causa predominante de la fragmentación. A diferencia de los cristales moleculares, las partículas metálicas no se dañan directamente por las ondas de choque y solo pueden verse afectadas por las colisiones entre partículas, que son más intensas (pero mucho menos frecuentes). El cambio en los mecanismos predominantes durante la sonicación de polvos metálicos frente a suspensiones de aspirina pone de relieve las diferencias entre las propiedades de las partículas metálicas maleables y las de los cristales moleculares friables». [Zeiger/ Suslick 2011, 14532]

Sonofragmentación de partículas de aspirina [Zeiger/ Suslick 2011]

Gopi et al. (2008) investigaron la fabricación de partículas cerámicas de alúmina submicrométricas de alta pureza (predominantemente en el intervalo inferior a 100 nm) a partir de material de alimentación de tamaño micrométrico (p. ej., 70-80 μm) mediante sonofragmentación. Observaron un cambio significativo en el color y la forma de las partículas cerámicas de alúmina como resultado de la sonofragmentación. Mediante sonicación de alta potencia pueden obtenerse fácilmente partículas de tamaño micrométrico, submicrométrico y nanométrico. La esfericidad de las partículas aumentó al incrementarse el tiempo de permanencia en el campo acústico.

Dispersión en un tensioactivo

Debido a la eficaz rotura de partículas mediante ultrasonidos, el uso de tensioactivos es esencial para evitar la desaglomeración de las partículas submicrométricas y nanométricas obtenidas. Cuanto menor es el tamaño de las partículas, mayor es la relación de aspecto de la superficie, que debe recubrirse con tensioactivo para mantenerlas en suspensión y evitar su coagulación (aglomeración). La ventaja de la sonicación reside en su efecto dispersante: al mismo tiempo que se producen la molienda y la fragmentación, los ultrasonidos dispersan los fragmentos de las partículas trituradas con el tensioactivo, de modo que se evita (casi) por completo la aglomeración de las nanopartículas.

Producción industrial

Para suministrar al mercado nanomateriales de alta calidad con funcionalidades extraordinarias, se requieren equipos de procesamiento fiables. Los sonicadores de hasta 16 kW por unidad, que pueden agruparse, permiten procesar corrientes de volumen prácticamente ilimitado. Gracias a la escalabilidad plenamente lineal de los procesos ultrasónicos, las aplicaciones ultrasónicas pueden probarse sin riesgo en el laboratorio, optimizarse a escala de sobremesa y después implementarse sin problemas en la línea de producción. Como los equipos ultrasónicos no requieren mucho espacio, pueden incluso incorporarse a líneas de proceso existentes. Su manejo es sencillo y pueden supervisarse y operarse mediante control remoto, mientras que el mantenimiento de un sistema ultrasónico es prácticamente insignificante.

Distribución del tamaño de las partículas e imágenes SEM de una aleación basada en Bi2Te3 antes y después de la molienda ultrasónica. a – Distribución del tamaño de las partículas; b – Imagen SEM antes de la molienda ultrasónica; c – Imagen SEM después de 4 h de molienda ultrasónica; d – Imagen SEM después de 8 h de molienda ultrasónica.
fuente: Marquez-Garcia et al. 2015.

Bibliografía / Referencias

• 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.