• La investigación ha demostrado que el fresado ultrasónico puede utilizarse con éxito para la fabricación de nanopartículas termoeléctricas y tiene el potencial de manipular las superficies de las partículas.
• Partículas molidas por ultrasonidos (por ejemplo, Bi₂Te₃-) mostraron una importante reducción de tamaño y fabricaron nanopartículas de menos de 10 µm.
• Además, la sonicación produce cambios significativos en la morfología superficial de las partículas y permite así funcionalizar la superficie de las micro y nanopartículas.

Nanopartículas termoeléctricas

Los materiales termoeléctricos convierten la energía térmica en energía eléctrica basándose en los efectos Seebeck y Peltier. De este modo es posible convertir eficazmente la energía térmica apenas utilizable o casi perdida en aplicaciones productivas. Dado que los materiales termoeléctricos pueden incluirse en aplicaciones novedosas como las baterías biotérmicas, la refrigeración termoeléctrica de estado sólido, los dispositivos optoelectrónicos, el espacio y la generación de energía para la automoción, la investigación y la industria buscan técnicas sencillas y rápidas para producir nanopartículas termoeléctricas respetuosas con el medio ambiente, económicas y estables a altas temperaturas. fresado por ultrasonidos así como la síntesis ascendente (sono-cristalización) son vías prometedoras para la rápida producción en masa de nanomateriales termoeléctricos.

Equipos de fresado por ultrasonidos

Para la reducción del tamaño de las partículas de telururo de bismuto (Bi₂Te₃), siliciuro de magnesio (Mg₂Si) y polvo de silicio (Si), el sistema ultrasónico de alta intensidad UIP1000hdT (1 kW, 20 kHz) en un vaso de precipitados abierto. En todos los ensayos, la amplitud se fijó en 140 µm. El recipiente de la muestra se enfrió en un baño de agua y la temperatura se controló mediante un termoacoplador. Debido a la sonicación en un vaso abierto, se utilizó refrigeración para evitar la evaporación de las soluciones de molienda (por ejemplo, etanol, butanol o agua).

(a) Diagrama esquemático del montaje experimental. (b) Aparato de fresado ultrasónico. fuente: Márquez-García et al. 2015.

Fresado por ultrasonidos para sólo 4h de Bi₂Te₃-ya producía una cantidad considerable de nanopartículas de tamaños comprendidos entre 150 y 400 nm. Además de la reducción del tamaño al rango nanométrico, la sonicación también produjo un cambio en la morfología de la superficie. Las imágenes SEM de las figuras b, c y d muestran que los bordes afilados de las partículas antes del fresado por ultrasonidos se han vuelto suaves y redondeados tras el fresado por ultrasonidos.

Distribución del tamaño de las partículas e imágenes SEM de la aleación basada en Bi2Te3 antes y después del fresado ultrasónico. a – Distribución granulométrica; b – Imagen SEM antes del fresado ultrasónico; c – Imagen SEM tras el fresado ultrasónico durante 4 h; d – Imagen SEM tras el fresado ultrasónico durante 8 h.
fuente: Márquez-García et al. 2015.

Para determinar si la reducción del tamaño de las partículas y la modificación de la superficie se consiguen únicamente mediante el fresado por ultrasonidos, se realizaron experimentos similares utilizando un molino de bolas de alta energía. Los resultados se muestran en la Fig. 3. Se observa que se produjeron partículas de 200-800 nm mediante molienda con bolas durante 48 h (12 veces más que la molienda ultrasónica). El SEM muestra que los bordes afilados de las partículas de Bi₂Te₃-Las partículas de aleación permanecen esencialmente inalteradas tras el fresado. Estos resultados indican que los bordes lisos son características exclusivas del fresado por ultrasonidos. También es notable el ahorro de tiempo que supone el fresado por ultrasonidos (4 h frente a 48 h de fresado con bolas).

Distribución del tamaño de las partículas e imágenes SEM del Mg2Si 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 la molienda ultrasónica en 50% PVP-50% EtOH durante 2 h.
fuente: Márquez-García et al. 2015.

Márquez-García et al. (2015) concluyen que el fresado ultrasónico puede degradar el Bi₂Te₃ y Mg₂Si en partículas más pequeñas, cuyos tamaños oscilan entre 40 y 400 nm, lo que sugiere una técnica potencial para la producción industrial de nanopartículas. En comparación con la molienda por bolas de alta energía, la molienda por ultrasonidos presenta dos características únicas:

1. 1. la aparición de una brecha granulométrica que separa las partículas originales de las producidas por el fresado ultrasónico; y
2. 2. tras el fresado ultrasónico se aprecian cambios sustanciales en la morfología de la superficie, lo que indica la posibilidad de manipular las superficies de las partículas.

Conclusión

El fresado por ultrasonidos de partículas más duras requiere sonicación bajo presión para generar una cavitación intensa. La sonicación bajo presión elevada (denominada manosonicación) aumenta drásticamente las fuerzas de cizallamiento y la tensión de las partículas.
Una configuración de sonicación en línea continua permite una mayor carga de partículas (lechada pastosa), lo que mejora los resultados de la molienda, ya que la molienda por ultrasonidos se basa en la colisión entre partículas.
La sonicación en una configuración de recirculación discreta permite garantizar un tratamiento homogéneo de todas las partículas y, por tanto, una distribución muy estrecha del tamaño de las partículas.

Una de las principales ventajas del fresado por ultrasonidos es que la tecnología puede ampliarse fácilmente para la producción de grandes cantidades: el potente fresado industrial por ultrasonidos disponible en el mercado puede procesar cantidades de hasta 10 m.³/h.

Ventajas del fresado por ultrasonidos

• Rapidez y ahorro de tiempo
• ahorro de energía
• resultados reproducibles
• Sin medios de molturación (sin perlas ni cuentas)
• Bajo coste de inversión

Ultrasonicadores de alto rendimiento

El fresado por ultrasonidos requiere equipos ultrasónicos de alta potencia. Para generar fuerzas de cizallamiento cavitacionales intensas, son cruciales unas amplitudes y una presión elevadas. Hielscher Ultrasonidos’ Los procesadores ultrasónicos industriales pueden proporcionar amplitudes muy elevadas. Amplitudes de hasta 200µm pueden funcionar fácilmente de forma continua en funcionamiento 24/7. Para amplitudes aún mayores, se dispone de sonotrodos ultrasónicos personalizados. En combinación con los reactores de flujo presurizables de Hielscher, se crea una cavitación muy intensa que permite superar los enlaces intermoleculares y conseguir efectos de fresado eficaces.
La robustez de los equipos de ultrasonidos de Hielscher permite un funcionamiento ininterrumpido en entornos exigentes. El control digital y remoto, así como el registro automático de datos en una tarjeta SD integrada, garantizan un procesamiento preciso, una calidad reproducible y permiten la estandarización del proceso.

Ventajas de los ultrasonidos de alto rendimiento de Hielscher

• amplitudes muy elevadas
• altas presiones
• proceso continuo en línea
• equipos robustos
• aumento lineal a gran escala de producción industrial
• ahorro y facilidad de uso
• Fácil de limpiar