સોનોફ્રેગમેન્ટેશન – કણોના ભંગાણ પર શક્તિશાળી અલ્ટ્રાસાઉન્ડની અસર

સોનોફ્રેગમેન્ટેશન એ ઉચ્ચ શક્તિના અલ્ટ્રાસાઉન્ડ દ્વારા કણોને નેનો કદના ટુકડાઓમાં તોડવાની પ્રક્રિયા છે. સામાન્ય અલ્ટ્રાસોનિક ડિએગ્લોમરેશન અને મિલિંગથી વિપરીત – જેમાં કણો મુખ્યત્વે એકબીજા સાથે અથડાવાથી દળાય છે અને અલગ પડે છે – સોનોફ્રેગમેન્ટેશન કણ અને આઘાત તરંગ વચ્ચેની સીધી આંતરક્રિયાને કારણે અલગ પડે છે. ઉચ્ચ શક્તિનું / ઓછી આવૃત્તિનું અલ્ટ્રાસાઉન્ડ કેવિટેશન ઉત્પન્ન કરે છે અને તેના દ્વારા પ્રવાહીમાં તીવ્ર અપરૂપણ બળો સર્જાય છે. કેવિટેશન પરપોટાના તૂટી પડવાની અને કણો વચ્ચેની અથડામણની અત્યંત તીવ્ર પરિસ્થિતિઓ કણોને દળીને અત્યંત બારીક કદની સામગ્રીમાં ફેરવે છે.

નેનો કણોનું અલ્ટ્રાસોનિક ઉત્પાદન અને તૈયારી

નેનો સામગ્રીના ઉત્પાદન માટે શક્તિશાળી અલ્ટ્રાસાઉન્ડની અસરો જાણીતી છે: વિખેરણ, ડિએગ્લોમરેશન અને મિલિંગ તથા દળણ, તેમજ સોનિકેશન દ્વારા વિખંડન એ નેનો કણોની પ્રક્રિયા કરવા માટે ઘણીવાર એકમાત્ર અસરકારક પદ્ધતિ હોય છે. વિશિષ્ટ કાર્યાત્મક ગુણધર્મો ધરાવતી અત્યંત બારીક નેનો સામગ્રીના કિસ્સામાં આ ખાસ કરીને સાચું છે, કારણ કે નેનો કદમાં કણોના અનન્ય લક્ષણો પ્રગટ થાય છે. ચોક્કસ કાર્યાત્મક ગુણધર્મો ધરાવતી નેનો સામગ્રી બનાવવા માટે એકસમાન અને વિશ્વસનીય સોનિકેશન પ્રક્રિયા સુનિશ્ચિત કરવી આવશ્યક છે. Hielscher પ્રયોગશાળાના સ્તરથી લઈને સંપૂર્ણ વ્યાપારી ઉત્પાદનના કદ સુધીનાં અલ્ટ્રાસોનિક ઉપકરણો પૂરા પાડે છે.

કેવિટેશન દ્વારા સોનોફ્રેગમેન્ટેશન

પ્રવાહીમાં શક્તિશાળી અલ્ટ્રાસોનિક બળો દાખલ કરવાથી અત્યંત તીવ્ર પરિસ્થિતિઓ સર્જાય છે. જ્યારે અલ્ટ્રાસાઉન્ડ પ્રવાહી માધ્યમમાં પ્રસરે છે, ત્યારે અલ્ટ્રાસોનિક તરંગો વારાફરતી સંકોચન અને વિરલનના ચક્રો (ઉચ્ચ દબાણ અને નીચા દબાણના ચક્રો) ઉત્પન્ન કરે છે. નીચા દબાણના ચક્રો દરમિયાન પ્રવાહીમાં નાના નિર્વાત પરપોટા ઉદ્ભવે છે. આ કેવિટેશન પરપોટા નીચા દબાણના અનેક ચક્રો દરમિયાન વધતા જાય છે, જ્યાં સુધી તેઓ એવા કદે ન પહોંચે કે વધુ ઊર્જા શોષી ન શકે. મહત્તમ શોષાયેલી ઊર્જા અને પરપોટાના કદની આ અવસ્થાએ કેવિટેશન પરપોટો હિંસક રીતે તૂટી પડે છે અને સ્થાનિક રીતે અત્યંત તીવ્ર પરિસ્થિતિઓ સર્જે છે. આ કેવિટેશન પરપોટાના અંતઃસ્ફોટને કારણે સ્થાનિક રીતે આશરે 5000K જેટલું અત્યંત ઊંચું તાપમાન અને આશરે 2000atm જેટલું દબાણ પ્રાપ્ત થાય છે. અંતઃસ્ફોટથી 280m/s (≈1000km/h) સુધીના વેગવાળા પ્રવાહી જેટ ઉત્પન્ન થાય છે. સોનોફ્રેગમેન્ટેશનમાં આ તીવ્ર બળોનો ઉપયોગ કરીને કણોને સબમાઇક્રોન અને નેનો શ્રેણીના નાના પરિમાણોમાં વિખંડિત કરવામાં આવે છે. સોનિકેશન આગળ વધતાં કણોનો આકાર ખૂણાવાળામાંથી ગોળાકાર બને છે, જે કણોને વધુ મૂલ્યવાન બનાવે છે. સોનોફ્રેગમેન્ટેશનનાં પરિણામો વિખંડન દર તરીકે વ્યક્ત કરવામાં આવે છે, જેને દાખલ કરાતી શક્તિ, સોનિકેશન કરાયેલા આયતન અને કણસમૂહોના કદના વિધેય તરીકે વર્ણવવામાં આવે છે.
Kusters et al. (1994) એ કણસમૂહોના અલ્ટ્રાસોનિક સહાયિત વિખંડનનો તેના ઊર્જા વપરાશના સંબંધમાં અભ્યાસ કર્યો હતો. સંશોધકોનાં પરિણામો „સૂચવે છે કે અલ્ટ્રાસોનિક વિખેરણ તકનીક પરંપરાગત દળણ તકનીકો જેટલી કાર્યક્ષમ હોઈ શકે છે. અલ્ટ્રાસોનિક વિખેરણની ઔદ્યોગિક કાર્યપદ્ધતિ (દા.ત. મોટા પ્રોબ, નિલંબનનો સતત પ્રક્રિયા પ્રવાહ) આ પરિણામોમાં થોડો ફેરફાર કરી શકે છે, પરંતુ એકંદરે એવી અપેક્ષા છે કે આ કદ ઘટાડવાની તકનીક પસંદ કરવાનું કારણ વિશિષ્ટ ઊર્જા વપરાશ નથી, પરંતુ અત્યંત બારીક (સબમાઇક્રોન) કણો ઉત્પન્ન કરવાની તેની ક્ષમતા છે.“ [Kusters et al. 1994] ખાસ કરીને ઘસાઈને ક્ષય પામતા પાઉડરો, જેમ કે સિલિકા અથવા ઝિર્કોનિયા માટે, પાઉડરના એકમ દળ દીઠ જરૂરી વિશિષ્ટ ઊર્જા પરંપરાગત દળણ પદ્ધતિઓની સરખામણીએ અલ્ટ્રાસોનિક દળણમાં ઓછી હોવાનું જણાયું હતું. અલ્ટ્રાસોનિકેશન કણોને માત્ર મિલિંગ અને દળણ દ્વારા જ નહીં, પરંતુ ઘન પદાર્થોને પૉલિશ કરીને પણ અસર કરે છે. તેના દ્વારા કણોની ઉચ્ચ ગોળાકારતા પ્રાપ્ત કરી શકાય છે.

નેનો સામગ્રીના સ્ફટિકીકરણ માટે સોનોફ્રેગમેન્ટેશન

„અલ્ટ્રાસાઉન્ડથી વિકિરણિત અણુ સ્ફટિકોની સ્લરીમાં કણો વચ્ચે અથડામણો થાય છે તેમાં બહુ ઓછી શંકા હોવા છતાં, તે વિખંડનનો મુખ્ય સ્રોત નથી. અણુ સ્ફટિકોથી વિપરીત, ધાતુના કણોને આઘાત તરંગોથી સીધું નુકસાન થતું નથી અને તેઓ માત્ર વધુ તીવ્ર (પરંતુ ઘણી ઓછી વાર થતી) આંતરકણ અથડામણોથી જ પ્રભાવિત થઈ શકે છે. ધાતુના પાઉડરો અને એસ્પિરિનની સ્લરીના સોનિકેશનમાં મુખ્ય કાર્યપદ્ધતિઓમાં થતો ફેરફાર આઘાતવર્ધનીય ધાતુના કણો અને સહેલાઈથી ભાંગી જતા અણુ સ્ફટિકોના ગુણધર્મો વચ્ચેના તફાવતોને ઉજાગર કરે છે.“ [Zeiger/ Suslick 2011, 14532]

એસ્પિરિનના કણોનું સોનોફ્રેગમેન્ટેશન [Zeiger/ Suslick 2011]

Gopi et al. (2008) એ સોનોફ્રેગમેન્ટેશનનો ઉપયોગ કરીને માઇક્રોમીટર કદની પ્રારંભિક સામગ્રીમાંથી (દા.ત., 70–80 μm) ઉચ્ચ શુદ્ધતાવાળા સબમાઇક્રોમીટર કદના એલ્યુમિના સિરામિક કણો (મુખ્યત્વે 100 nmથી ઓછી કદશ્રેણીમાં) બનાવવાનો અભ્યાસ કર્યો હતો. તેમણે સોનોફ્રેગમેન્ટેશનના પરિણામે એલ્યુમિના સિરામિક કણોના રંગ અને આકારમાં નોંધપાત્ર ફેરફાર જોયો હતો. ઉચ્ચ શક્તિના સોનિકેશન દ્વારા માઇક્રોન, સબમાઇક્રોન અને નેનો કદની શ્રેણીના કણો સરળતાથી મેળવી શકાય છે. ધ્વનિક્ષેત્રમાં નિવાસ સમય વધવાની સાથે કણોની ગોળાકારતા વધી હતી.

સર્ફેક્ટન્ટમાં વિખેરણ

અસરકારક અલ્ટ્રાસોનિક કણભંગાણને કારણે, મેળવેલા સબમાઇક્રોન અને નેનો કદના કણોનું ડિએગ્લોમરેશન અટકાવવા માટે સર્ફેક્ટન્ટનો ઉપયોગ આવશ્યક છે. કણોનું કદ જેટલું નાનું હોય, તેટલો સપાટી ક્ષેત્રફળનો આકાર ગુણોત્તર ઊંચો હોય છે; તેમને નિલંબનમાં રાખવા અને કણોનું સ્કંદન (એગ્લોમરેશન) ટાળવા માટે આ સપાટીને સર્ફેક્ટન્ટથી આવરિત કરવી જરૂરી છે. અલ્ટ્રાસોનિકેશનનો ફાયદો તેની વિખેરણ અસરમાં રહેલો છે: દળણ અને વિખંડનની સાથે જ અલ્ટ્રાસાઉન્ડ દળાયેલા કણોના ટુકડાઓને સર્ફેક્ટન્ટ સાથે વિખેરી દે છે, જેથી નેનો કણોનું એગ્લોમરેશન (લગભગ) સંપૂર્ણપણે ટાળી શકાય છે.

ઔદ્યોગિક ઉત્પાદન

અસાધારણ કાર્યાત્મક ગુણધર્મો પ્રદર્શિત કરતી ઉચ્ચ ગુણવત્તાવાળી નેનો સામગ્રી બજારમાં પૂરી પાડવા માટે વિશ્વસનીય પ્રક્રિયા ઉપકરણો જરૂરી છે. પ્રતિ એકમ 16kW સુધીની શક્તિવાળાં અને સમૂહમાં જોડી શકાય તેવાં અલ્ટ્રાસોનિકેટરો વ્યવહારમાં લગભગ અમર્યાદિત આયતનવાળા પ્રવાહોની પ્રક્રિયા કરવાની સગવડ આપે છે. અલ્ટ્રાસોનિક પ્રક્રિયાઓની સંપૂર્ણ રેખીય સ્કેલેબિલિટીને કારણે, અલ્ટ્રાસોનિક અનુપ્રયોગોનું પ્રયોગશાળામાં જોખમ વિના પરીક્ષણ કરી શકાય છે, બેન્ચટોપ સ્તરે અનુકૂલન કરી શકાય છે અને ત્યારબાદ કોઈ સમસ્યા વિના ઉત્પાદન લાઇનમાં અમલીકરણ કરી શકાય છે. અલ્ટ્રાસોનિક ઉપકરણોને મોટી જગ્યાની જરૂર ન હોવાથી, તેમને હાલના પ્રક્રિયા પ્રવાહોમાં પણ પાછળથી જોડી શકાય છે. તેનું સંચાલન સરળ છે અને રિમોટ કંટ્રોલ દ્વારા તેનું નિરીક્ષણ અને સંચાલન કરી શકાય છે, જ્યારે અલ્ટ્રાસોનિક પ્રણાલીની જાળવણી લગભગ નગણ્ય હોય છે.

અલ્ટ્રાસોનિક મિલિંગ પહેલાં અને પછી Bi2Te3 આધારિત મિશ્રધાતુનું કણકદ વિતરણ અને SEM છબીઓ. a – કણકદ વિતરણ; b – અલ્ટ્રાસોનિક મિલિંગ પહેલાંની SEM છબી; c – 4 h સુધી અલ્ટ્રાસોનિક મિલિંગ કર્યા પછીની SEM છબી; d – 8 h સુધી અલ્ટ્રાસોનિક મિલિંગ કર્યા પછીની SEM છબી.
સ્રોત: Marquez-Garcia et al. 2015.

સાહિત્ય / સંદર્ભો

• 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.