خردایش فراصوتی – تأثیر فراصوت پرتوان بر شکستن ذرات

خردایش فراصوتی به شکستن ذرات به قطعاتی در ابعاد نانو با استفاده از فراصوت پرتوان گفته می‌شود. برخلاف کلوخه‌زدایی و آسیاب‌کردن متداول با فراصوت – که در آن‌ها ذرات عمدتاً بر اثر برخوردهای بین‌ذره‌ای ساییده و از هم جدا می‌شوند – مشخصهٔ خردایش فراصوتی، برهم‌کنش مستقیم بین ذره و موج ضربه‌ای است. فراصوت با توان بالا و فرکانس پایین، کاویتاسیون ایجاد می‌کند و از این طریق نیروهای برشی شدیدی در مایعات پدید می‌آورد. شرایط شدید ناشی از فروپاشی حباب‌های کاویتاسیون و برخوردهای بین‌ذره‌ای، ذرات را به موادی با اندازهٔ بسیار ریز تبدیل می‌کند.

تولید و آماده‌سازی نانوذرات با فراصوت

تأثیرات فراصوت پرتوان در تولید نانومواد به‌خوبی شناخته شده است: پراکنده‌سازی، کلوخه‌زدایی، آسیاب‌کردن و سایش و نیز خردایش با فراصوت‌دهی، اغلب تنها روش مؤثر برای فرآوری نانوذرات هستند. این موضوع به‌ویژه دربارهٔ نانومواد بسیار ریز با کارکردهای ویژه صدق می‌کند، زیرا در ابعاد نانو، ویژگی‌های منحصربه‌فرد ذرات بروز می‌یابد. برای تولید نانومواد با کارکردهای مشخص، باید از یکنواخت و قابل‌اعتماد بودن فرایند فراصوت‌دهی اطمینان حاصل کرد. Hielscher تجهیزات فراصوتی را از مقیاس آزمایشگاهی تا مقیاس کامل تولید تجاری عرضه می‌کند.

خردایش فراصوتی به‌وسیلهٔ کاویتاسیون

اعمال نیروهای قدرتمند فراصوتی به مایعات، شرایط شدیدی ایجاد می‌کند. هنگامی که فراصوت در یک محیط مایع منتشر می‌شود، امواج فراصوتی چرخه‌های متناوب تراکم و انبساط (چرخه‌های فشار بالا و فشار پایین) پدید می‌آورند. در چرخه‌های فشار پایین، حباب‌های کوچک خلأ در مایع شکل می‌گیرند. این حباب‌های کاویتاسیون طی چندین چرخهٔ فشار پایین رشد می‌کنند تا به اندازه‌ای برسند که دیگر نتوانند انرژی بیشتری جذب کنند. در این حالت که انرژی جذب‌شده و اندازهٔ حباب به بیشینه رسیده است، حباب کاویتاسیون به‌شدت فرو می‌پاشد و شرایط شدیدی را به‌صورت موضعی ایجاد می‌کند. بر اثر درون‌پاشی حباب‌های کاویتاسیون ، دماهای بسیار بالای حدود 5000K و فشارهای حدود 2000atm به‌صورت موضعی حاصل می‌شود. این درون‌پاشی، جت‌های مایع با سرعتی تا 280m/s (≈1000km/h) ایجاد می‌کند. خردایش فراصوتی به استفاده از این نیروهای شدید برای شکستن ذرات به ابعاد کوچک‌تر در محدودهٔ زیرمیکرون و نانو گفته می‌شود. با پیشرفت فراصوت‌دهی، شکل ذرات از زاویه‌دار به کروی تغییر می‌کند که ارزش ذرات را افزایش می‌دهد. نتایج خردایش فراصوتی به‌صورت نرخ خردایش بیان می‌شود که تابعی از توان ورودی، حجم تحت فراصوت‌دهی و اندازهٔ کلوخه‌هاست.
Kusters et al. (1994) خردایش کلوخه‌ها به کمک فراصوت را در ارتباط با مصرف انرژی آن بررسی کردند. نتایج پژوهشگران «نشان می‌دهد که روش پراکنده‌سازی فراصوتی می‌تواند به‌اندازهٔ روش‌های متداول سایش کارآمد باشد. اجرای صنعتی پراکنده‌سازی فراصوتی (برای مثال، پروب‌های بزرگ‌تر و عبور پیوستهٔ سوسپانسیون) ممکن است این نتایج را تا حدی تغییر دهد، اما در مجموع انتظار می‌رود که دلیل انتخاب این روش خردایش، مصرف انرژی ویژهٔ آن نباشد، بلکه توانایی آن در تولید ذرات بسیار ریز (زیرمیکرونی) باشد.» [Kusters et al. 1994] به‌ویژه برای پودرهای فرسایش‌پذیری مانند سیلیکا یا زیرکونیا، مشخص شد که انرژی ویژهٔ موردنیاز به‌ازای واحد جرم پودر در سایش فراصوتی، کمتر از روش‌های متداول سایش است. فراصوت‌دهی نه‌تنها از طریق آسیاب‌کردن و سایش، بلکه با صیقل‌دادن مواد جامد نیز بر ذرات اثر می‌گذارد. از این طریق می‌توان به درجهٔ بالایی از کرویت ذرات دست یافت.

خردایش فراصوتی برای تبلور نانومواد

«اگرچه تردید چندانی وجود ندارد که برخوردهای بین‌ذره‌ای در دوغاب‌های بلورهای مولکولی تحت تابش فراصوت رخ می‌دهند، این برخوردها عامل غالب خردایش نیستند. برخلاف بلورهای مولکولی، ذرات فلزی مستقیماً بر اثر امواج ضربه‌ای آسیب نمی‌بینند و تنها برخوردهای بین‌ذره‌ای شدیدتر (اما بسیار نادرتر) می‌توانند بر آن‌ها اثر بگذارند. تغییر سازوکارهای غالب در فراصوت‌دهی پودرهای فلزی در مقایسه با دوغاب‌های آسپرین، تفاوت خواص ذرات فلزی چکش‌خوار و بلورهای مولکولی ترد را برجسته می‌کند.» [Zeiger/ Suslick 2011, 14532]

خردایش فراصوتی ذرات آسپرین [Zeiger/ Suslick 2011]

Gopi et al. (2008) ساخت ذرات سرامیکی آلومینا با خلوص بالا و ابعاد زیرمیکرومتر (عمدتاً در محدودهٔ کمتر از 100 nm) از خوراکی با ابعاد میکرومتری (برای مثال، 70–80 μm) را با استفاده از خردایش فراصوتی بررسی کردند. آن‌ها تغییر چشمگیری در رنگ و شکل ذرات سرامیکی آلومینا بر اثر خردایش فراصوتی مشاهده کردند. ذراتی در محدودهٔ ابعادی میکرون، زیرمیکرون و نانو را می‌توان به‌آسانی با فراصوت‌دهی پرتوان به دست آورد. با افزایش زمان ماند در میدان صوتی، کرویت ذرات افزایش یافت.

پراکنده‌سازی در مادهٔ فعال سطحی

به‌دلیل شکستن مؤثر ذرات با فراصوت، استفاده از مواد فعال سطحی برای جلوگیری از کلوخه‌زدایی ذرات زیرمیکرونی و نانومتری حاصل ضروری است. هرچه اندازهٔ ذرات کوچک‌تر باشد، نسبت سطح بیشتر است؛ این سطح باید با مادهٔ فعال سطحی پوشانده شود تا ذرات در حالت معلق باقی بمانند و از انعقاد (کلوخه‌شدن) آن‌ها جلوگیری شود. مزیت فراصوت‌دهی در اثر پراکنده‌سازی آن است: هم‌زمان با سایش و خردایش، امواج فراصوت قطعات حاصل از سایش ذرات را همراه با مادهٔ فعال سطحی پراکنده می‌کنند، به‌طوری‌که از کلوخه‌شدن نانوذرات (تقریباً) به‌طور کامل جلوگیری می‌شود.

تولید صنعتی

برای عرضهٔ نانومواد باکیفیت و دارای کارکردهای فوق‌العاده به بازار، تجهیزات فرآوری قابل‌اعتماد موردنیاز است. سونیکاتورهایی با توان تا 16kW در هر واحد که قابلیت تجمیع در یک مجموعه را دارند، فرآوری جریان‌هایی با حجم عملاً نامحدود را امکان‌پذیر می‌کنند. به‌دلیل مقیاس‌پذیری کاملاً خطی فرایندهای فراصوتی، می‌توان کاربردهای فراصوت را بدون ریسک در آزمایشگاه آزمود، در مقیاس رومیزی بهینه کرد و سپس بدون مشکل در خط تولید به اجرا درآورد. ازآنجاکه تجهیزات فراصوتی به فضای زیادی نیاز ندارند، حتی می‌توان آن‌ها را به جریان‌های فرایندی موجود نیز افزود. کار با این تجهیزات آسان است و می‌توان آن‌ها را از طریق کنترل از راه دور پایش و راهبری کرد؛ درعین‌حال، نیاز به نگهداری یک سامانهٔ فراصوتی تقریباً ناچیز است.

توزیع اندازهٔ ذرات و تصاویر SEM آلیاژ بر پایهٔ Bi2Te3 پیش و پس از آسیاب‌کردن فراصوتی. a – توزیع اندازهٔ ذرات؛ b – تصویر SEM پیش از آسیاب‌کردن فراصوتی؛ c – تصویر SEM پس از آسیاب‌کردن فراصوتی به‌مدت 4 h؛ d – تصویر SEM پس از آسیاب‌کردن فراصوتی به‌مدت 8 h.
منبع: Marquez-Garcia et al. 2015.

منابع علمی / مراجع

• 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.