Termoelektriliste nanopulbrite ultraheli jahvatamine

• Uuringud on näidanud, et ultraheli jahvatamist saab edukalt kasutada termoelektriliste nanoosakeste valmistamiseks ning sellel on potentsiaali osakeste pindu mõjutada.
• Ultraheli abil jahvatatud osakesed (nt Bi₂Te₃-põhine sulam) näitasid märkimisväärset suuruse vähenemist ning moodustusid nanoosakesed, mille suurus oli alla 10µm.
• Lisaks tekitab ultraheli töötlus (sonikeerimine) osakeste pinnamorfoloogias olulisi muutusi ja võimaldab seeläbi mikro- ja nanoosakeste pinda funktsionaliseerida.

Termoelektrilised nanoosakesed

Termoelektrilised materjalid muundavad soojusenergia elektrienergiaks Seebecki ja Peltier’ efekti alusel. Sel viisil on võimalik halvasti kasutatav või peaaegu kaduvaks läinud soojusenergia tõhusalt suunata produktiivsetesse rakendustesse. Kuna termoelektrilisi materjale saab kasutada uudsetes rakendustes, nagu biotermilised akud, tahkisseisundil põhinev termoelektriline jahutus, optoelektroonikaseadmed, kosmosetehnika ja autotööstuse elektritootmine, otsivad teadus ja tööstus lihtsaid ja kiireid meetodeid keskkonnasõbralike, ökonoomsete ja kõrgetel temperatuuridel püsivate termoelektriliste nanoosakeste tootmiseks. Ultraheli jahvatamine ja alt-üles süntees (sonokristallimine) on kaks paljulubavat võimalust termoelektriliste nanomaterjalide kiireks masstootmiseks.

Ultraheli jahvatamise seadmed

Vismuttelluriidi (Bi₂Te₃), magneesiumsilitsiidi (Mg₂Si) ja räni (Si) pulbri osakeste suuruse vähendamiseks kasutati avatud keeduklaasi paigutuses suure intensiivsusega ultraheli süsteemi UIP1000hdT (1kW, 20kHz). Kõigis katsetes seati amplituudiks 140µm. Proovianumat jahutatakse veevannis ja temperatuuri jälgitakse termopaari abil. Kuna ultraheli töötlus toimus avatud anumas, kasutati jahutust jahvatuslahuste (nt etanool, butanool või vesi) aurustumise vältimiseks.

(a) Katseseadme skeem. (b) Ultraheli jahvatusseade. allikas: Marquez-Garcia et al. 2015.

Vaid 4h kestnud Bi₂Te₃-sulami ultraheli jahvatamine andis juba märkimisväärse koguse nanoosakesi suurusega 150 kuni 400 nm. Lisaks nanovahemikku jõudnud suuruse vähenemisele tõi ultraheli töötlus kaasa ka pinnamorfoloogia muutuse. Alloleval joonisel olevad SEM-pildid b, c ja d näitavad, et osakeste teravad servad on pärast ultraheli jahvatamist muutunud siledaks ja ümaraks.

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

Selleks et selgitada, kas osakeste suuruse vähenemine ja pinna modifitseerimine on saavutatavad üksnes ultraheli jahvatamisega, tehti sarnased katsed suure energiaga kuulveski abil. Tulemused on esitatud joonisel 3. On selge, et 48-tunnise kuuljahvatamisega (12 korda kauem kui ultraheli jahvatamine) saadi 200–800 nm osakesed. SEM näitab, et Bi₂Te₃-sulami osakeste teravad servad jäävad pärast jahvatamist sisuliselt muutumatuks. Need tulemused viitavad sellele, et siledad servad on ultraheli jahvatamise ainulaadsed tunnusjooned. Ka ultraheli jahvatamise ajasääst (4 h vs 48 h kuuljahvatamist) on märkimisväärne.

Mg2Si osakeste suuruse jaotus ja SEM-pildid enne ja pärast ultraheli jahvatamist. (a) Osakeste suuruse jaotus; (b) SEM-pilt enne ultraheli jahvatamist; (c) SEM-pilt pärast 2 h ultraheli jahvatamist 50% PVP–50% EtOH keskkonnas.
allikas: Marquez-Garcia et al. 2015.

Marquez-Garcia et al. (2015) järeldavad, et ultraheli jahvatamine suudab Bi₂Te₃ ja Mg₂Si pulbri lagundada väiksemateks osakesteks, mille suurus on vahemikus 40 kuni 400 nm, mis viitab potentsiaalsele meetodile nanoosakeste tööstuslikuks tootmiseks. Võrreldes suure energiaga kuulveskiga jahvatamisega on ultraheli jahvatamisel kaks ainulaadset tunnusjoont:

1. 1. osakeste suuruses esineb vahe, mis eraldab algsed osakesed ultraheli jahvatamisel tekkinud osakestest; ning
2. 2. pärast ultraheli jahvatamist ilmnevad pinnamorfoloogias olulised muutused, mis viitab võimalusele osakeste pindu mõjutada.

Kokkuvõte

Kõvemate osakeste ultraheli jahvatamine nõuab intensiivse kavitatsiooni tekitamiseks ultraheli töötlust (sonikeerimist) rõhu all. Ultraheli töötlus kõrgendatud rõhul (nn manosonikatsioon) suurendab osakestele mõjuvaid nihkejõude ja pinget drastiliselt.
Pidev läbivoolu-ultraheli töötluse paigutus võimaldab suuremat osakeste sisaldust (pastataoline suspensioon), mis parandab jahvatustulemusi, kuna ultraheli jahvatamine põhineb osakestevahelistel kokkupõrgetel.
Ultraheli töötlus diskreetses retsirkulatsiooniga paigutuses võimaldab tagada kõigi osakeste ühtlase töötlemise ja seega väga kitsa osakeste suuruse jaotuse.

Ultraheli jahvatamise suur eelis on see, et tehnoloogiat saab hõlpsasti suurendada suurte koguste tootmiseks – kaubanduslikult kättesaadav võimas tööstuslik ultraheli jahvatus suudab töödelda koguseid kuni 10m³/h.

Ultraheli jahvatamise eelised

• Kiire, ajasäästlik
• Energiasäästlik
• Reprodutseeritavad tulemused
• Jahvatuskehi pole (ei helmeid ega kuule)
• Madalad investeerimiskulud

Suure jõudlusega ultraheli seadmed

Ultraheli jahvatamine nõuab suure võimsusega ultraheliseadmeid. Intensiivsete kavitatsiooniliste nihkejõudude tekitamiseks on määravad kõrged amplituudid ja rõhk. Hielscher Ultrasonicsi tööstuslikud ultraheliprotsessorid suudavad anda väga kõrgeid amplituude. Kuni 200µm amplituude saab hõlpsasti pidevalt kasutada 24/7 töörežiimis. Veelgi kõrgemate amplituudide jaoks on saadaval kohandatud ultraheli sonotroodid. Koos Hielscheri survestatavate läbivoolureaktoritega tekib väga intensiivne kavitatsioon, mis võimaldab ületada molekulidevahelisi sidemeid ning saavutada tõhusaid jahvatusefekte.
Hielscheri ultraheliseadmete töökindlus võimaldab 24/7 töörežiimi raskes töökoormuses ja nõudlikes keskkondades. Digitaalne ja kaugjuhtimine ning andmete automaatne salvestamine sisseehitatud SD-kaardile tagavad täpse töötlemise, reprodutseeritava kvaliteedi ja võimaldavad protsessi standardiseerimist.

Hielscheri suure jõudlusega ultraheliseadmete eelised

• väga kõrged amplituudid
• kõrged rõhud
• pidev läbivoolu protsess
• töökindlad seadmed
• lineaarne skaleeritavus
• ohutu ja lihtne käsitseda
• lihtne puhastada