סונופרגמנטציה – השפעת אולטרסאונד הספק על שבירת חלקיקים

סונופרגמנטציה מתארת שבירה של חלקיקים למקטעים בגודל ננומטרי על ידי אולטרסאונד בעוצמה גבוהה. בניגוד לפירוק וכרסום אולטראסוניים נפוצים – כאשר חלקיקים נטחנים ומופרדים בעיקר על ידי התנגשות בין חלקיקים – סונו-פרגמנטציה נבדלת על ידי אינטראקציה ישירה בין חלקיק וגל הלם., אולטרסאונד בעוצמה גבוהה/בתדר נמוך יוצר קוויטציה ובכך כוחות גזירה אינטנסיביים בנוזלים. התנאים הקיצוניים של קריסת בועות קוויטציוניות והתנגשות בין-פרטיקולרית טוחנים חלקיקים לחומר בגודל דק מאוד.

ייצור קולי והכנה של חלקיקי ננו

ההשפעות של אולטרסאונד כוח לייצור ננו חומרים ידועים: פיזור, Deagglomeration וכרסום & טחינה, כמו גם פיצול על ידי סוניקציה הם לעתים קרובות השיטה היעילה היחידה לטיפול חלקיקי ננו. הדבר נכון במיוחד כאשר מדובר בננו-חומרים עדינים מאוד בעלי פוננסיאליות מיוחדת, כמו בננו בגודל ננו, באים לידי ביטוי מאפייני חלקיקים ייחודיים. כדי ליצור ננו-חומר בעל פונקציות ספציפיות, יש להבטיח תהליך סוניקציה אחיד ואמין. Hielscher מספקת ציוד קולי בקנה מידה מעבדה לגודל ייצור מסחרי מלא.

סונו-פרגמנטציה על ידי קביטציה

הקלט של כוחות קוליים חזקים לתוך נוזלים יוצר תנאים קיצוניים. כאשר אולטרסאונד מפיץ תווך נוזלי, הגלים העל-קוליים גורמים למחזורי דחיסה וררפקציה לסירוגין (מחזורי לחץ גבוה ולחץ נמוך). במהלך מחזורי הלחץ הנמוך מתעוררות בועות ואקום קטנות בנוזל. אלו קוויטציה בועות גדלות על פני מספר מחזורי לחץ נמוך עד שהן מגיעות לגודל שבו הן אינן יכולות לספוג יותר אנרגיה. במצב זה של אנרגיה נספגת מקסימלית וגודל בועה, בועת הקוויטציה קורסת באלימות ויוצרת תנאים קיצוניים מקומיים. בשל קריסת קוויטציה בועות, טמפרטורות גבוהות מאוד של כ-5000K ולחצים של כ-2000ATM מגיעים באופן מקומי. הקריסה גורמת לסילונים נוזליים במהירות של עד 280 מטר לשנייה (≈1000 קמ"ש). סונו-פרגמנטציה מתארת את השימוש בכוחות אינטנסיביים אלה כדי לפצל חלקיקים לממדים קטנים יותר בתחום התת-מיקרון והננו. עם סוניקציה מתקדמת, צורת החלקיקים הופכת מזוויתית לכדורית, מה שהופך את החלקיקים לבעלי ערך רב יותר. תוצאות הסונופרגמנטציה מבוטאות בקצב פיצול המתואר כפונקציה של קלט כוח, נפח סוני וגודל האגלומרטים.
Kusters et al. (1994) חקרו את הפיצול בסיוע אולטרה-סאונד של אגלומרטים ביחס לצריכת האנרגיה שלו. תוצאות החוקרים "מצביעות על כך שטכניקת הפיזור העל-קולי יכולה להיות יעילה כמו טכניקות השחזה קונבנציונליות. הפרקטיקה התעשייתית של פיזור על-קולי (למשל גשושיות גדולות יותר, תפוקה רציפה של השעיה) עשויה לשנות מעט את התוצאות הללו, אך בסך הכל צפוי שצריכת האנרגיה הספציפית אינה הסיבה לבחירה בטכניקת קומינוטרון זו, אלא יכולתה לייצר חלקיקים עדינים מאוד (תת-מיקרוניים)". [Kusters et al. 1994] במיוחד עבור אבקות שחיקה כגון סיליקה או זירקוניה, האנרגיה הספציפית הנדרשת ליחידת מסת אבקה נמצאה נמוכה יותר על ידי טחינה קולית מזו של שיטות טחינה קונבנציונליות. Ultrasonication משפיע על החלקיקים לא רק על ידי כרסום ושחיקה, אלא גם על ידי ליטוש מוצקים. בכך ניתן להשיג ספיריות גבוהה של החלקיקים.

סונו-פרגמנטציה להתגבשות ננו-חומרים

"אמנם אין ספק שהתנגשויות בין חלקיקים אכן מתרחשות בתרחיפים של גבישים מולקולריים המוקרנים באולטרסאונד, אך הם אינם המקור הדומיננטי לפיצול. בניגוד לגבישים מולקולריים, חלקיקי מתכת אינם ניזוקים ישירות מגלי הלם ויכולים להיות מושפעים רק מההתנגשויות החזקות יותר (אך הנדירות הרבה יותר) בין חלקיקים. השינוי במנגנונים הדומיננטיים לסוניקציה של אבקות מתכת לעומת תרחיצי אספירין מדגיש את ההבדלים בתכונות של חלקיקים מתכתיים גמישים וגבישים מולקולריים פריכים". [זייגר/סוסליק 2011, 14532]

סונופרגמנטציה של חלקיקי אספירין [Zeiger/ Suslick 2011]

Gopi et al. (2008) חקרו את הייצור של חלקיקים קרמיים תת-מיקרומטריים תת-מיקרומטריים בעלי טוהר גבוה (בעיקר בטווח של פחות מ-100 ננומטר) מהזנה בגודל מיקרומטר (למשל, 70-80 מיקרומטר) באמצעות sonofragmentation. הם הבחינו בשינוי משמעותי בצבע ובצורה של חלקיקי אלומינה קרמיים כתוצאה מפיצול סונו. חלקיקים בטווח גודל מיקרון, תת-מיקרון וננו ניתנים להשגה בקלות על ידי סוניקציה בעוצמה גבוהה. הספריות של החלקיקים גדלה ככל שזמן השמירה גדל בשדה האקוסטי.

פיזור בחומרים פעילי שטח

בשל שבירת החלקיקים העל-קוליים היעילה, השימוש בסורפקטנטים חיוני למניעת פירוק החלקיקים התת-מיקרוניים והננומטריים המתקבלים. ככל שגודל החלקיקים קטן יותר, כך יחס האפקט של שטח הפנים גבוה יותר, אשר חייב להיות מכוסה בסורפקטנט כדי לשמור אותם בתרחיף וכדי למנוע קרישה של חלקיקים (אגרגציה). היתרון של האולטרסאונד טמון באפקט הפיזור: במקביל לטחינה ולפיצול, האולטרסאונד פיזר את שברי החלקיקים הטחונים עם חומר פעילי השטח כך שהצטברות של חלקיקי הננו נמנעת (כמעט) לחלוטין.

ייצור תעשייתי

כדי לשרת את השוק עם ננו חומר באיכות גבוהה המבטא פונקציות יוצאות דופן, נדרש ציוד עיבוד אמין. אולטרסאונד עם עד 16kW ליחידה אשר ניתנים לאשכולות מאפשרים עיבוד פורט He של זרמי נפח כמעט בלתי מוגבלים. בשל יכולת ההרחבה הליניארית המלאה של תהליכים על-קוליים, יישומים על-קוליים יכולים להיבדק ללא סיכון במעבדה, לעבור אופטימיזציה בקנה מידה עליון ולאחר מכן מיושמים ללא בעיות בקו הייצור. מכיוון שהמערך העל-קולי אינו דורש חלל גדול, ניתן אפילו להתאים אותו מחדש לזרמי תהליך קיימים. הפעולה קלה וניתן לנטר ולהפעיל אותה באמצעות שלט רחוק, בעוד תחזוקת מערכת אולטראסונית כמעט מוזנחת.

פיזור גודל חלקיקים ותמונות SEM של סגסוגת מבוססת Bi2Te3 לפני ואחרי כרסום על-קולי. a – התפלגות גודל חלקיקים; b – תמונת SEM לפני כרסום קולי; c – תמונת SEM לאחר כרסום קולי במשך 4 שעות; d – תמונת SEM לאחר כרסום קולי במשך 8 שעות.
מקור: Marquez-Garcia et al. 2015.

ספרות / מקורות