כרסום קולי של ננו-אבקות תרמואלקטריות

• מחקרים הראו כי כרסום קולי יכול לשמש בהצלחה לייצור של חלקיקים תרמואלקטריים ויש לו פוטנציאל לתפעל את פני השטח של החלקיקים.
• חלקיקים טחונים אולטרה-סאונד (למשל Bi₂טה₃סגסוגת מבוססת) הראתה הקטנת גודל משמעותית ויצרה ננו-חלקיקים עם פחות מ-10μm.
• יתר על כן, סוניקציה מייצרת שינויים משמעותיים במורפולוגיה של פני השטח של החלקיקים ומאפשרת בכך לתפקד את פני השטח של מיקרו וננו-חלקיקים.

ננו-חלקיקים תרמואלקטריים

חומרים תרמואלקטריים ממירים אנרגיית חום לאנרגיה חשמלית בהתבסס על אפקט סיבק ופלטייה. כך ניתן להפוך אנרגיה תרמית כמעט שמישה או כמעט אבודה ביעילות ליישומים פרודוקטיביים. מכיוון שניתן לכלול חומרים תרמואלקטריים ביישומים חדשניים כגון סוללות ביותרמיות, קירור תרמואלקטרי במצב מוצק, התקנים אופטו-אלקטרוניים, חלל וייצור חשמל לרכב, המחקר והתעשייה מחפשים טכניקות קלות ומהירות לייצור ננו-חלקיקים תרמואלקטריים ידידותיים לסביבה, חסכוניים ויציבים בטמפרטורה גבוהה. כרסום קולי כמו גם סינתזה מלמטה למעלה (סונו-התגבשות) הם נתיבים מבטיחים לייצור המוני מהיר של ננו-חומרים תרמואלקטריים.

ציוד כרסום קולי

להקטנת גודל החלקיקים של ביסמוט טלורייד (Bi₂טה₃), מגנזיום סיליסיד (מ"ג₂Si) ואבקת סיליקון (Si), המערכת האולטרסונית בעוצמה גבוהה UIP1000hdT (1kW, 20kHz) שימש במערך כוסות פתוח. עבור כל הניסויים, המשרעת נקבעה ל-140μm. כלי המדגם מקורר באמבט מים, הטמפרטורה נשלטת על ידי זוג תרמי. בשל סוניקציה בכלי פתוח, נעשה שימוש בקירור כדי למנוע אידוי של תמיסות הכרסום (למשל, אתנול, בוטנול או מים).

(א) תרשים סכמטי של מערך הניסוי. (ב) מכשיר כרסום על-קולי. מקור: Marquez-Garcia et al. 2015.

כרסום קולי רק 4 שעות של Bi₂טה₃-סגסוגת כבר הניבה כמות משמעותית של ננו-חלקיקים בגדלים שבין 150 ל-400 ננומטר. מלבד הקטנת הגודל לטווח הנאנו, סוניקציה הביאה גם לשינוי במורפולוגיה של פני השטח. תמונות ה-SEM באיור שמתחת ל-b, c ו-d מראות שהקצוות החדים של החלקיקים לפני הכרסום העל-קולי הפכו חלקים ועגולים לאחר כרסום על-קולי.

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.

כדי לקבוע אם הפחתת גודל החלקיקים ושינוי פני השטח מושגים באופן ייחודי על ידי כרסום קולי, ניסויים דומים נערכו באמצעות טחנת כדורים באנרגיה גבוהה. התוצאות מוצגות באיור 3. ניכר כי חלקיקים של 200-800 ננומטר נוצרו על ידי כרסום כדורי במשך 48 שעות (פי 12 יותר מאשר כרסום קולי). SEM מראה כי הקצוות החדים של Bi₂טה₃- חלקיקי סגסוגת נשארים ללא שינוי לאחר הטחינה. תוצאות אלה מצביעות על כך שהקצוות החלקים הם מאפיינים ייחודיים של כרסום קולי. חיסכון בזמן על ידי כרסום קולי (4 שעות לעומת 48 שעות כרסום כדורי) הוא גם מדהים.

התפלגות גודל חלקיקים ותמונות SEM של Mg2Si לפני ואחרי כרסום על-קולי. (א) התפלגות גודל חלקיקים; (ב) תמונת SEM לפני כרסום על-קולי; (c) תמונת SEM לאחר כרסום על-קולי ב-50% PVP – 50% EtOH למשך שעתיים.
מקור: Marquez-Garcia et al. 2015.

Marquez-Garcia et al. (2015) מסיקים כי כרסום קולי יכול להשפיל Bi₂טה₃ ומ"ג₂אבקת Si לחלקיקים קטנים יותר, שגודלם נע בין 40 ל -400 ננומטר, מה שמרמז על טכניקה פוטנציאלית לייצור תעשייתי של ננו-חלקיקים. לעומת כרסום כדור באנרגיה גבוהה, כרסום קולי יש שני מאפיינים ייחודיים:

1. 1. התרחשות של פער בגודל חלקיקים המפריד בין החלקיקים המקוריים לבין אלה המיוצרים על ידי כרסום קולי; ו
2. 2. שינויים מהותיים במורפולוגיית פני השטח ניכרים לאחר כרסום על-קולי, דבר המצביע על אפשרות למניפולציה על פני השטח של החלקיקים.

מסקנה

כרסום על-קולי של חלקיקים קשים יותר דורש סוניקציה תחת לחץ כדי ליצור קוויטציה אינטנסיבית. סוניקציה תחת לחץ מוגבר (מה שנקרא מנוסוניקציה) מגבירה את כוחות הגזירה והלחץ על החלקיקים באופן דרסטי.
מערך סוניקציה מוטבע רציף מאפשר עומס חלקיקים גבוה יותר (תרחיף דמוי הדבק), מה שמשפר את תוצאות הכרסום מכיוון שכרסום על-קולי מבוסס על התנגשות בין חלקיקים.
סוניקציה במערך מחזור בדיד מאפשרת להבטיח טיפול הומוגני בכל החלקיקים ולכן התפלגות גודל חלקיקים צרה מאוד.

יתרון מרכזי של כרסום על-קולי הוא שניתן להרחיב את הטכנולוגיה בקלות לייצור כמויות גדולות - כרסום על-קולי תעשייתי רב עוצמה וזמין מסחרית יכול להתמודד עם כמויות של עד 10 מ'³/ח.

היתרונות של כרסום קולי

• מהיר וחוסך זמן
• חיסכון באנרגיה
• תוצאות הניתנות לשחזור
• ללא אמצעי כרסום (ללא חרוזים או פנינים)
• עלות השקעה נמוכה

אולטרה-סאונד בעל ביצועים גבוהים

כרסום קולי דורש ציוד קולי בהספק גבוה. על מנת ליצור כוחות גזירה קוויטציוניים אינטנסיביים, אמפליטודות ולחץ גבוהים הם חיוניים. Hielscher Ultrasonics’ מעבדים קוליים תעשייתיים יכולים לספק אמפליטודות גבוהות מאוד. אמפליטודות של עד 200μm ניתנות להפעלה רציפה בקלות בפעולה 24/7. עבור אמפליטודות גבוהות עוד יותר, sonotrodes קולי מותאם אישית זמינים. בשילוב עם כורי הזרימה הניתנים ללחץ של היילשר, נוצר קוויטציה אינטנסיבית מאוד, כך שניתן להתגבר על קשרים בין-מולקולריים ולהשיג השפעות כרסום יעילות.
החוסן של הציוד הקולי של Hielscher מאפשר פעולה 24/7 בחובה כבדה ובסביבות תובעניות. שליטה דיגיטלית ושלט רחוק, כמו גם רישום נתונים אוטומטי על גבי כרטיס SD מובנה, מבטיחים עיבוד מדויק, איכות הניתנת לשחזור ומאפשרים סטנדרטיזציה של תהליכים.

היתרונות של Hielscher ביצועים גבוהים Ultrasonicators

• אמפליטודות גבוהות מאוד
• לחצים גבוהים
• תהליך מוטבע רציף
• ציוד חזק
• הרחבה ליניארית
• חסכוני וקל לתפעול
• קל לניקוי