Termoelektriliste nano-pulbrite ultraheli freesimine

• Uuringud on näidanud, et ultraheli freesimist saab edukalt kasutada termoelektriliste nanoosakeste valmistamiseks ja sellel on potentsiaal manipuleerida osakeste pindadega.
• Ultraheli jahvatatud osakesed (nt Bi₂Te₃-põhine sulam) näitas märkimisväärset suuruse vähenemist ja valmistas nanoosakesi, mille sisaldus oli alla 10 μm.
• Lisaks tekitab ultrahelitöötlus osakeste pinna morfoloogia olulisi muutusi ja võimaldab seeläbi funktsionaliseerida mikro- ja nanoosakeste pinda.

termoelektrilised nanoosakesed

Termoelektrilised materjalid muundavad soojusenergia elektrienergiaks, mis põhineb Seebecki ja Peltieri efektil. Seeläbi on võimalik muuta vaevalt kasutatav või peaaegu kadunud soojusenergia efektiivselt tootlikeks rakendusteks. Kuna termoelektrilisi materjale saab lisada uudsetesse rakendustesse, nagu biotermilised patareid, tahkis-termoelektriline jahutus, optoelektroonilised seadmed, kosmos ja autotööstuse energiatootmine, otsivad teadusuuringud ja tööstus lihtsaid ja kiireid tehnikaid keskkonnasõbralike, ökonoomsete ja kõrge temperatuuriga stabiilsete termoelektriliste nanoosakeste tootmiseks. ultraheli freesimine samuti alt-üles süntees (Sono-kristalliseerumine) on paljulubavad teed termoelektriliste nanomaterjalide kiireks masstootmiseks.

Ultraheli freesimisseadmed

Vismuttelluriidi osakeste suuruse vähendamiseks (Bi₂Te₃), magneesiumsilitsiid (Mg₂Si) ja räni (Si) pulber, suure intensiivsusega ultraheli süsteem UIP1000hdT (1kW, 20kHz) kasutati avatud keeduklaasi seadistamisel. Kõigi katsete puhul seati amplituudi väärtuseks 140 μm. Proovinõu jahutatakse veevannis, temperatuuri reguleeritakse termopaariga. Ultrahelitöötluse tõttu avatud anumas kasutati jahvatuslahuste aurustumise vältimiseks jahutamist (nt etanool, butanool või vesi).

a) Eksperimentaalse seadistuse skemaatiline diagramm. b) Ultraheli freesimisseade. allikas: Marquez-Garcia et al. 2015.

Ultraheli freesimine ainult 4h Bi jaoks₂Te₃-sulamist on juba saadud märkimisväärses koguses nanoosakesi, mille suurus on 150–400 nm. Lisaks suuruse vähendamisele nano vahemikku tõi ultrahelitöötlus kaasa ka pinna morfoloogia muutumise. Alloleval joonisel b, c ja d olevad SEM-pildid näitavad, et osakeste teravad servad enne ultraheli freesimist on pärast ultraheli freesimist muutunud siledaks ja ümmarguseks.

Bi2Te3-põhise sulami osakeste suuruse jaotus ja SEM-pildid enne ja pärast ultraheli freesimist. a – Osakeste suuruse jaotus; b – SEM-pilt enne ultraheli freesimist; c – SEM-pilt pärast ultraheli freesimist 4 tundi; d – SEM-pilt pärast ultraheli freesimist 8 tundi.
allikas: Marquez-Garcia et al. 2015.

Et teha kindlaks, kas osakeste suuruse vähendamine ja pinna muutmine on ultraheli freesimisega ainulaadselt saavutatud, viidi sarnased katsed läbi suure energiaga kuulveski abil. Tulemused on näidatud joonisel 3. On ilmne, et 200–800 nm osakesi toodeti kuulfreesimisel 48 tundi (12 korda kauem kui ultraheli freesimine). SEM näitab, et Bi teravad servad₂Te₃-sulamiosakesed jäävad pärast jahvatamist sisuliselt muutumatuks. Need tulemused näitavad, et siledad servad on ultraheli freesimise unikaalsed omadused. Tähelepanuväärne on ka aja kokkuhoid ultraheli freesimisega (4 h vs 48 h kuulfreesimine).

Mg2Si osakeste suuruse jaotus ja SEM-pildid enne ja pärast ultraheli freesimist. a) osakeste jaotus suuruse järgi; b) SEM-kujutis enne ultraheli freesimist; (c) SEM-pilt pärast ultraheli freesimist 50% PVP–50% EtOH-s 2 tundi.
allikas: Marquez-Garcia et al. 2015.

(2015) järeldavad, et ultraheli freesimine võib Bi lagundada₂Te₃ ja Mg₂Si pulber väiksemateks osakesteks, mille suurused on vahemikus 40 kuni 400 nm, mis viitab potentsiaalsele tehnikale nanoosakeste tööstuslikuks tootmiseks. Võrreldes suure energiatarbega kuulfreesimisega on ultraheli freesimisel kaks unikaalset omadust:

1. 1. osakeste suuruse pilu esinemine, mis eraldab algsed osakesed ultraheli freesimisel toodetud osakestest; ja
2. 2. Pärast ultraheli freesimist ilmnevad pinna morfoloogia olulised muutused, mis näitab osakeste pindade manipuleerimise võimalust.

Järeldus

Raskemate osakeste ultraheli freesimine nõuab intensiivse kavitatsiooni tekitamiseks rõhu all ultrahelitöötlust. Sonikatsioon kõrgendatud rõhu all (nn manosonication) suurendab drastiliselt osakeste nihkejõude ja stressi.
Pidev inline ultrahelitöötluse seadistus võimaldab suuremat osakeste koormust (pastataoline läga), mis parandab freesimistulemusi, kuna ultraheli freesimine põhineb osakestevahelisel kokkupõrkel.
Sonikatsioon diskreetses retsirkulatsiooni seadistuses võimaldab tagada kõigi osakeste homogeense töötlemise ja seega väga kitsa osakeste suuruse jaotuse.

Ultraheli freesimise peamine eelis on see, et tehnoloogiat saab hõlpsasti suurendada suurte koguste tootmiseks - kaubanduslikult kättesaadav, võimas tööstuslik ultraheli freesimine saab hakkama summadega kuni 10 m³/h.

Ultraheli freesimise eelised

• Kiire ja ajasäästlik
• Energiasääst
• Korratavad tulemused
• Ei mingit freesimisvahendit (ei helmeid ega pärleid)
• Madalad investeerimiskulud

Suure jõudlusega ultrasonikaatorid

Ultraheli freesimine nõuab suure võimsusega ultraheli seadmeid. Intensiivsete kavitatsiooniliste nihkejõudude tekitamiseks on üliolulised suured amplituudid ja rõhk. Hielscheri ultraheli’ Tööstuslikud ultraheli protsessorid võivad pakkuda väga kõrgeid amplituudi. Amplituudid kuni 200 μm saab hõlpsasti pidevalt käivitada 24/7 operatsioonis. Veelgi suuremate amplituudide jaoks on saadaval kohandatud ultraheli sonotroodid. Koos Hielscheri survestatavate voolureaktoritega luuakse väga intensiivne kavitatsioon, et oleks võimalik ületada molekulidevahelised sidemed ja saavutada tõhusad freesimisefektid.
Hielscheri ultraheli seadmete töökindlus võimaldab 24/7 operatsiooni raskeveokite ja nõudlikes keskkondades. Digitaalne ja kaugjuhtimispult ning automaatne andmete salvestamine sisseehitatud SD-kaardile tagavad täpse töötlemise, reprodutseeritava kvaliteedi ja võimaldavad protsesside standardimist.

Hielscheri suure jõudlusega ultrasonikaatorite eelised

• väga kõrge amplituudiga
• kõrge rõhk
• Pidev tekstisisene protsess
• töökindlad seadmed
• Lineaarne skaala üles
• Salvestage ja lihtne kasutada
• Lihtne puhastada