થર્મોઇલેક્ટ્રિક નેનોપાઉડરનું અલ્ટ્રાસોનિક મિલિંગ

• સંશોધને દર્શાવ્યું છે કે થર્મોઇલેક્ટ્રિક નેનોકણોના નિર્માણ માટે અલ્ટ્રાસોનિક મિલિંગનો સફળતાપૂર્વક ઉપયોગ કરી શકાય છે અને તેમાં કણોની સપાટીઓમાં ફેરફાર કરવાની સંભાવના છે.
• અલ્ટ્રાસોનિક મિલિંગ કરાયેલા કણો (દા.ત. Bi₂Te₃-આધારિત મિશ્રધાતુ)ના કદમાં નોંધપાત્ર ઘટાડો જોવા મળ્યો હતો અને 10µm કરતાં નાના નેનોકણોનું નિર્માણ થયું હતું.
• વધુમાં, સોનિકેશન કણોની સપાટીની આકારરચનામાં નોંધપાત્ર ફેરફારો ઉત્પન્ન કરે છે અને તેથી સૂક્ષ્મકણો અને નેનોકણોની સપાટીનું કાર્યાત્મકકરણ શક્ય બનાવે છે.

થર્મોઇલેક્ટ્રિક નેનોકણો

થર્મોઇલેક્ટ્રિક પદાર્થો સીબેક અને પેલ્ટિયર અસરોના આધારે ઉષ્મા ઊર્જાને વિદ્યુત ઊર્જામાં રૂપાંતરિત કરે છે. તેથી ભાગ્યે જ ઉપયોગમાં લઈ શકાય તેવી અથવા લગભગ વેડફાઈ જતી ઉષ્મા ઊર્જાનો ઉત્પાદક ઉપયોગોમાં અસરકારક રીતે ઉપયોગ કરવો શક્ય બને છે. થર્મોઇલેક્ટ્રિક પદાર્થોને બાયોથર્મલ બેટરીઓ, ઘન-અવસ્થાનું થર્મોઇલેક્ટ્રિક શીતલન, ઓપ્ટોઇલેક્ટ્રોનિક ઉપકરણો, અવકાશમાં વીજ ઉત્પાદન અને વાહનોમાં વીજ ઉત્પાદન જેવા નવતર ઉપયોગોમાં સમાવી શકાય છે, તેથી સંશોધન અને ઉદ્યોગ ક્ષેત્રો પર્યાવરણને અનુકૂળ, આર્થિક અને ઊંચા તાપમાને સ્થિર રહેતા થર્મોઇલેક્ટ્રિક નેનોકણો ઉત્પન્ન કરવા માટે સરળ અને ઝડપી તકનીકો શોધી રહ્યાં છે. અલ્ટ્રાસોનિક મિલિંગ તેમજ બોટમ-અપ સંશ્લેષણ (સોનો-સ્ફટિકીકરણ) થર્મોઇલેક્ટ્રિક નેનોપદાર્થોના ઝડપી મોટા પાયે ઉત્પાદન માટેના બે આશાસ્પદ માર્ગો છે.

અલ્ટ્રાસોનિક મિલિંગનાં ઉપકરણો

બિસ્મથ ટેલ્યુરાઇડ (Bi₂Te₃), મેગ્નેશિયમ સિલિસાઇડ (Mg₂Si) અને સિલિકોન (Si) પાઉડરના કણોનું કદ ઘટાડવા માટે, ઉચ્ચ-તીવ્રતાવાળી અલ્ટ્રાસોનિક સિસ્ટમ UIP1000hdT (1kW, 20kHz)નો ખુલ્લા બીકરની ગોઠવણીમાં ઉપયોગ કરવામાં આવ્યો હતો. તમામ પ્રયોગો માટે કંપનવિસ્તાર 140µm પર સેટ કરવામાં આવ્યો હતો. નમૂનાના પાત્રને જળસ્નાનમાં ઠંડું કરવામાં આવે છે અને તાપમાનને થર્મોકપલ દ્વારા નિયંત્રિત કરવામાં આવે છે. ખુલ્લા પાત્રમાં સોનિકેશન થતું હોવાથી, મિલિંગનાં દ્રાવણો (દા.ત., ઇથેનોલ, બ્યુટેનોલ અથવા પાણી)નું બાષ્પીભવન અટકાવવા માટે શીતલનનો ઉપયોગ કરવામાં આવ્યો હતો.

(a) પ્રાયોગિક ગોઠવણીનો યોજનાત્મક આલેખ. (b) અલ્ટ્રાસોનિક મિલિંગનું ઉપકરણ. સ્રોત: Marquez-Garcia et al. 2015.

માત્ર 4h સુધી અલ્ટ્રાસોનિક મિલિંગ કરવાથી જ Bi₂Te₃-મિશ્રધાતુના 150 અને 400 nm વચ્ચેના કદ ધરાવતા નેનોકણો નોંધપાત્ર પ્રમાણમાં પ્રાપ્ત થયા હતા. કદ નેનોશ્રેણી સુધી ઘટવા ઉપરાંત, સોનિકેશનથી સપાટીની આકારરચનામાં પણ ફેરફાર થયો હતો. નીચેની આકૃતિના b, c અને dમાંની SEM છબીઓ દર્શાવે છે કે અલ્ટ્રાસોનિક મિલિંગ પહેલાં કણોની ધારદાર કિનારીઓ અલ્ટ્રાસોનિક મિલિંગ પછી સુંવાળી અને ગોળ બની ગઈ છે.

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

કણકદમાં ઘટાડો અને સપાટીમાં ફેરફાર વિશિષ્ટ રીતે અલ્ટ્રાસોનિક મિલિંગ દ્વારા જ પ્રાપ્ત થાય છે કે કેમ તે નક્કી કરવા માટે, ઉચ્ચ-ઊર્જાવાળી બોલ મિલનો ઉપયોગ કરીને સમાન પ્રયોગો કરવામાં આવ્યા હતા. પરિણામો આકૃતિ 3માં દર્શાવ્યાં છે. સ્પષ્ટ છે કે 48 h સુધી બોલ મિલિંગ કરવાથી (અલ્ટ્રાસોનિક મિલિંગ કરતાં 12 ગણો વધુ સમય) 200–800 nmના કણો ઉત્પન્ન થયા હતા. SEM દર્શાવે છે કે Bi₂Te₃-મિશ્રધાતુના કણોની ધારદાર કિનારીઓ મિલિંગ પછી મૂળભૂત રીતે યથાવત્ રહે છે. આ પરિણામો સૂચવે છે કે સુંવાળી કિનારીઓ અલ્ટ્રાસોનિક મિલિંગની વિશિષ્ટ લાક્ષણિકતા છે. અલ્ટ્રાસોનિક મિલિંગથી થતી સમયની બચત (4 h સામે બોલ મિલિંગ માટે 48 h) પણ નોંધપાત્ર છે.

અલ્ટ્રાસોનિક મિલિંગ પહેલાં અને પછી Mg2Siના કણકદનું વિતરણ અને SEM છબીઓ. (a) કણકદનું વિતરણ; (b) અલ્ટ્રાસોનિક મિલિંગ પહેલાંની SEM છબી; (c) 50% PVP–50% EtOHમાં 2 h સુધી અલ્ટ્રાસોનિક મિલિંગ પછીની SEM છબી.
સ્રોત: Marquez-Garcia et al. 2015.

Marquez-Garcia et al. (2015) એવો નિષ્કર્ષ કાઢે છે કે અલ્ટ્રાસોનિક મિલિંગ Bi₂Te₃ અને Mg₂Si પાઉડરને 40 થી 400 nm સુધીના કદ ધરાવતા નાના કણોમાં તોડી શકે છે, જે નેનોકણોના ઔદ્યોગિક ઉત્પાદન માટેની સંભવિત તકનીક સૂચવે છે. ઉચ્ચ-ઊર્જાવાળા બોલ મિલિંગની સરખામણીમાં, અલ્ટ્રાસોનિક મિલિંગની બે વિશિષ્ટ લાક્ષણિકતાઓ છે:

1. 1. મૂળ કણોને અલ્ટ્રાસોનિક મિલિંગ દ્વારા ઉત્પન્ન થયેલા કણોથી અલગ પાડતો કણકદનો ગાળો જોવા મળે છે; અને
2. 2. અલ્ટ્રાસોનિક મિલિંગ પછી સપાટીની આકારરચનામાં નોંધપાત્ર ફેરફારો સ્પષ્ટ દેખાય છે, જે કણોની સપાટીઓમાં ફેરફાર કરવાની શક્યતા સૂચવે છે.

નિષ્કર્ષ

વધુ કઠણ કણોના અલ્ટ્રાસોનિક મિલિંગમાં તીવ્ર કેવિટેશન ઉત્પન્ન કરવા માટે દબાણ હેઠળ સોનિકેશન કરવું જરૂરી છે. વધારેલા દબાણ હેઠળનું સોનિકેશન (જેને મેનોસોનિકેશન કહેવામાં આવે છે) કણો પર લાગતાં કર્તન બળો અને પ્રતિબળમાં ભારે વધારો કરે છે.
સતત ઇનલાઇન સોનિકેશનની ગોઠવણી વધુ કણભાર (પેસ્ટ જેવી સ્લરી)ની પ્રક્રિયા કરવાની સુવિધા આપે છે, જે મિલિંગનાં પરિણામો સુધારે છે, કારણ કે અલ્ટ્રાસોનિક મિલિંગ કણો વચ્ચેની અથડામણ પર આધારિત છે.
અલગ પુનઃપરિભ્રમણ ગોઠવણીમાં સોનિકેશન કરવાથી તમામ કણોની સમાન પ્રક્રિયા સુનિશ્ચિત કરી શકાય છે અને તેથી કણકદનું અત્યંત સાંકડું વિતરણ મેળવી શકાય છે.

અલ્ટ્રાસોનિક મિલિંગનો એક મુખ્ય લાભ એ છે કે મોટા જથ્થાના ઉત્પાદન માટે આ તકનીકનું પ્રમાણ સરળતાથી વધારી શકાય છે – વ્યાવસાયિક રીતે ઉપલબ્ધ, શક્તિશાળી ઔદ્યોગિક અલ્ટ્રાસોનિક મિલિંગ દ્વારા 10m³/h સુધીના જથ્થાની પ્રક્રિયા કરી શકાય છે.

અલ્ટ્રાસોનિક મિલિંગના લાભો

• ઝડપી, સમય બચાવનાર
• ઊર્જા બચાવનાર
• પુનરુત્પાદનક્ષમ પરિણામો
• મિલિંગ માધ્યમોની જરૂર નથી (મણકા કે ગોળીઓની જરૂર નથી)
• ઓછો મૂડીરોકાણ ખર્ચ

ઉચ્ચ કાર્યક્ષમતાવાળા અલ્ટ્રાસોનિકેટરો

અલ્ટ્રાસોનિક મિલિંગ માટે ઉચ્ચ શક્તિવાળાં અલ્ટ્રાસોનિક ઉપકરણોની જરૂર પડે છે. તીવ્ર કેવિટેશનજન્ય કર્તન બળો ઉત્પન્ન કરવા માટે ઊંચા કંપનવિસ્તાર અને દબાણ નિર્ણાયક છે. Hielscher Ultrasonics ના ઔદ્યોગિક અલ્ટ્રાસોનિક પ્રોસેસરો અત્યંત ઊંચા કંપનવિસ્તાર પૂરા પાડી શકે છે. 24/7 કામગીરીમાં 200µm સુધીના કંપનવિસ્તાર પર સરળતાથી સતત કામગીરી કરી શકાય છે. આનાથી પણ ઊંચા કંપનવિસ્તાર માટે જરૂરિયાત મુજબ બનાવેલા અલ્ટ્રાસોનિક સોનોટ્રોડ ઉપલબ્ધ છે. Hielscher ના દબાણ આપી શકાય તેવા ફ્લો રિએક્ટરો સાથે સંયોજનમાં અત્યંત તીવ્ર કેવિટેશન ઉત્પન્ન થાય છે, જેથી આંતરઅણુકીય બંધનોને તોડી શકાય છે અને અસરકારક મિલિંગ પ્રાપ્ત થાય છે.
Hielscher નાં અલ્ટ્રાસોનિક ઉપકરણોની મજબૂતાઈ ભારે કાર્યભાર અને કઠિન પરિસ્થિતિઓમાં 24/7 કામગીરી શક્ય બનાવે છે. ડિજિટલ અને દૂરસ્થ નિયંત્રણ તેમજ બિલ્ટ-ઇન SD કાર્ડ પર આપમેળે ડેટા રેકોર્ડિંગ ચોક્કસ પ્રક્રિયા અને પુનરુત્પાદનક્ષમ ગુણવત્તા સુનિશ્ચિત કરે છે તથા પ્રક્રિયાનું માનકીકરણ શક્ય બનાવે છે.

Hielscher ના ઉચ્ચ કાર્યક્ષમતાવાળા અલ્ટ્રાસોનિકેટરોના લાભો

• અત્યંત ઊંચા કંપનવિસ્તાર
• ઊંચાં દબાણ
• સતત ઇનલાઇન પ્રક્રિયા
• મજબૂત ઉપકરણો
• રેખીય રીતે ઉત્પાદનનું પ્રમાણ વધારવાની ક્ષમતા
• સલામત અને ચલાવવામાં સરળ
• સાફ કરવામાં સરળ