Molienda ultrasónica de nanopolvos termoeléctricos

• Las investigaciones han demostrado que la molienda ultrasónica puede utilizarse con éxito para fabricar nanopartículas termoeléctricas y ofrece la posibilidad de modificar las superficies de las partículas.
• Las partículas sometidas a molienda ultrasónica (p. ej., una aleación basada en Bi₂Te₃) mostraron una reducción significativa de tamaño y dieron lugar a nanopartículas de menos de 10 µm.
• Además, la sonicación produce cambios significativos en la morfología superficial de las partículas, lo que permite funcionalizar la superficie de micropartículas y nanopartículas.

Nanopartículas termoeléctricas

Los materiales termoeléctricos convierten la energía térmica en energía eléctrica mediante los efectos Seebeck y Peltier. Esto permite aprovechar eficazmente, en aplicaciones productivas, la energía térmica que apenas puede utilizarse o que prácticamente se pierde. Dado que los materiales termoeléctricos pueden incorporarse a aplicaciones novedosas, como baterías biotérmicas, refrigeración termoeléctrica de estado sólido, dispositivos optoelectrónicos y generación de energía eléctrica en aplicaciones espaciales y de automoción, los investigadores y la industria buscan técnicas sencillas y rápidas para producir nanopartículas termoeléctricas respetuosas con el medio ambiente, económicas y estables a altas temperaturas. La molienda ultrasónica y la síntesis de abajo arriba (sonocristalización) son dos vías prometedoras para la producción rápida y masiva de nanomateriales termoeléctricos.

Equipos de molienda ultrasónica

Para reducir el tamaño de las partículas de polvo de telururo de bismuto (Bi₂Te₃), siliciuro de magnesio (Mg₂Si) y silicio (Si), se utilizó el sistema ultrasónico de alta intensidad UIP1000hdT (1 kW, 20 kHz) en un montaje con un vaso de precipitados abierto. En todos los ensayos, la amplitud se ajustó a 140 µm. El recipiente de la muestra se enfría en un baño de agua y la temperatura se controla mediante un termopar. Debido a que la sonicación se realizó en un recipiente abierto, se empleó refrigeración para evitar la evaporación de las soluciones de molienda (p. ej., etanol, butanol o agua).

(a) Diagrama esquemático del montaje experimental. (b) Equipo de molienda ultrasónica. Fuente: Marquez-Garcia et al. 2015.

La molienda ultrasónica durante tan solo 4h de una aleación de Bi₂Te₃ ya produjo una cantidad considerable de nanopartículas con tamaños entre 150 y 400 nm. Además de reducir el tamaño al intervalo nanométrico, la sonicación también modificó la morfología superficial. Las imágenes de microscopía electrónica de barrido (SEM) de los apartados b, c y d de la figura siguiente muestran que los bordes afilados que presentaban las partículas antes de la molienda ultrasónica se volvieron lisos y redondeados tras ella.

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 la molienda ultrasónica durante 4 h; d – Imagen SEM después de la molienda ultrasónica durante 8 h.
Fuente: Marquez-Garcia et al. 2015.

Para determinar si la reducción del tamaño de las partículas y la modificación de la superficie se consiguen exclusivamente mediante molienda ultrasónica, se realizaron experimentos similares con 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 de bolas durante 48 h (12 veces más tiempo que con la molienda ultrasónica). La microscopía SEM muestra que los bordes afilados de las partículas de la aleación de Bi₂Te₃ permanecen prácticamente inalterados después de la molienda. Estos resultados indican que los bordes lisos son una característica exclusiva de la molienda ultrasónica. El ahorro de tiempo que ofrece la molienda ultrasónica (4 h frente a 48 h de molienda de bolas) también es notable.

Distribución del tamaño de las partículas e imágenes SEM de 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: Marquez-Garcia et al. 2015.

Marquez-Garcia et al. (2015) concluyen que la molienda ultrasónica puede reducir el polvo de Bi₂Te₃ y Mg₂Si a partículas más pequeñas, cuyos tamaños oscilan entre 40 y 400 nm, lo que apunta a una posible técnica para la producción industrial de nanopartículas. En comparación con la molienda de bolas de alta energía, la molienda ultrasónica presenta dos características exclusivas:

1. 1. la aparición de una discontinuidad en la distribución del tamaño de las partículas que separa las partículas originales de las producidas mediante molienda ultrasónica; y
2. 2. cambios sustanciales en la morfología superficial, observables después de la molienda ultrasónica, que indican la posibilidad de modificar las superficies de las partículas.

Conclusión

La molienda ultrasónica de partículas más duras requiere sonicación bajo presión para generar una cavitación intensa. La sonicación a presión elevada (denominada manosonicación) aumenta drásticamente las fuerzas de cizallamiento y los esfuerzos a los que se someten las partículas.
Un montaje de sonicación continua en línea permite una mayor carga de partículas (una suspensión de consistencia pastosa), lo que mejora los resultados de molienda, ya que la molienda ultrasónica se basa en las colisiones entre partículas.
La sonicación en un montaje de recirculación independiente permite garantizar un tratamiento homogéneo de todas las partículas y, por tanto, una distribución muy estrecha del tamaño de las partículas.

Una ventaja importante de la molienda ultrasónica es que esta tecnología puede escalarse fácilmente para producir grandes cantidades – los potentes equipos industriales de molienda ultrasónica disponibles comercialmente pueden procesar volúmenes de hasta 10 m³/h.

Ventajas de la molienda ultrasónica

• Rapidez y ahorro de tiempo
• Ahorro de energía
• Resultados reproducibles
• Sin medios de molienda (sin bolas ni perlas)
• Bajo coste de inversión

Sonicadores de alto rendimiento

La molienda ultrasónica requiere equipos ultrasónicos de alta potencia. Para generar fuerzas intensas de cizallamiento por cavitación, son fundamentales las amplitudes elevadas y la presión. Los procesadores ultrasónicos industriales de Hielscher Ultrasonics pueden proporcionar amplitudes muy elevadas. Pueden funcionar fácilmente de forma continua con amplitudes de hasta 200 µm en régimen de funcionamiento 24/7. Para amplitudes aún mayores, se dispone de sonotrodos ultrasónicos personalizados. En combinación con los reactores de flujo presurizables de Hielscher, se genera una cavitación muy intensa que permite vencer los enlaces intermoleculares y lograr una molienda eficaz.
La robustez de los equipos ultrasónicos de Hielscher permite el funcionamiento 24/7 en condiciones de trabajo intensivo y en entornos exigentes. El control digital y remoto, junto con el registro automático de datos en una tarjeta SD integrada, garantiza un procesamiento preciso y una calidad reproducible, y permite estandarizar el proceso.

Ventajas de los sonicadores de alto rendimiento de Hielscher

• amplitudes muy elevadas
• presiones elevadas
• proceso continuo en línea
• equipos robustos
• escalado lineal
• «save» y fáciles de manejar
• fáciles de limpiar