טחינה אולטרסונית של אבקות ננומטריות תרמואלקטריות

• מחקרים הראו שניתן להשתמש בהצלחה בטחינה אולטרסונית לייצור ננו־חלקיקים תרמואלקטריים, ושיש לה פוטנציאל לשנות את פני השטח של החלקיקים באופן מבוקר.
• חלקיקים שנטחנו באולטרסאונד (למשל סגסוגת המבוססת על Bi₂Te₃) הראו הקטנה משמעותית בגודלם, והתקבלו ננו־חלקיקים שגודלם פחות מ־10µm.
• יתר על כן, סוניקציה מחוללת שינויים משמעותיים במורפולוגיה של פני השטח של החלקיקים, ובכך מאפשרת להקנות קבוצות פונקציונליות לפני השטח של מיקרו־חלקיקים וננו־חלקיקים.

ננו־חלקיקים תרמואלקטריים

חומרים תרמואלקטריים ממירים אנרגיית חום לאנרגיה חשמלית על בסיס אפקט סיבק ואפקט פלטייה. כך ניתן לנצל ביעילות אנרגיה תרמית שקשה להשתמש בה או שכמעט אובדת, ולהפנות אותה ליישומים מועילים. מכיוון שניתן לשלב חומרים תרמואלקטריים ביישומים חדשניים כגון סוללות ביותרמיות, קירור תרמואלקטרי במצב מוצק, התקנים אופטואלקטרוניים וייצור חשמל בחלל ובכלי רכב, המחקר והתעשייה מחפשים טכניקות פשוטות ומהירות לייצור ננו־חלקיקים תרמואלקטריים ידידותיים לסביבה, חסכוניים ויציבים בטמפרטורות גבוהות. טחינה אולטרסונית וכן סינתזה מלמטה למעלה (התגבשות בסיוע אולטרסאונד) הן שתי דרכים מבטיחות לייצור המוני מהיר של ננו־חומרים תרמואלקטריים.

ציוד לטחינה אולטרסונית

לצורך הקטנת גודל החלקיקים של אבקות ביסמוט טלוריד (Bi₂Te₃), מגנזיום סיליציד (Mg₂Si) וסיליקון (Si), נעשה שימוש במערכת האולטרסונית בעוצמה גבוהה UIP1000hdT (1kW, 20kHz) במערך עם כוס מעבדה פתוחה. בכל הניסויים הוגדרה משרעת של 140µm. כלי הדגימה מקורר באמבט מים, והטמפרטורה מבוקרת באמצעות צמד תרמי. בשל הסוניקציה בכלי פתוח, נעשה שימוש בקירור כדי למנוע את התאדות תמיסות הטחינה (למשל אתנול, בוטנול או מים).

(a) תרשים סכמטי של מערך הניסוי. (b) מכשיר לטחינה אולטרסונית. מקור: Marquez-Garcia et al. 2015.

טחינה אולטרסונית במשך 4h בלבד של סגסוגת Bi₂Te₃ כבר הניבה כמות ניכרת של ננו־חלקיקים בגדלים שבין 150 ל־400 nm. מלבד הקטנת הגודל לטווח הננומטרי, הסוניקציה הביאה גם לשינוי במורפולוגיה של פני השטח. תמונות מיקרוסקופ האלקטרונים הסורק (SEM) באיור שלהלן, b, c ו־d, מראות שהקצוות החדים של החלקיקים לפני הטחינה האולטרסונית הפכו לחלקים ומעוגלים לאחריה.

התפלגות גודל החלקיקים ותמונות SEM של סגסוגת המבוססת על Bi2Te3 לפני טחינה אולטרסונית ואחריה. a – התפלגות גודל החלקיקים; b – תמונת SEM לפני טחינה אולטרסונית; c – תמונת SEM לאחר טחינה אולטרסונית במשך 4 h; d – תמונת SEM לאחר טחינה אולטרסונית במשך 8 h.
מקור: Marquez-Garcia et al. 2015.

כדי לקבוע אם הקטנת גודל החלקיקים ושינוי פני השטח מושגים באופן ייחודי באמצעות טחינה אולטרסונית, נערכו ניסויים דומים באמצעות מטחנה כדורית עתירת אנרגיה. התוצאות מוצגות באיור 3. ניכר כי טחינה כדורית במשך 48 h (משך זמן ארוך פי 12 מזה של טחינה אולטרסונית) ייצרה חלקיקים בגודל 200–800 nm. תמונות SEM מראות שהקצוות החדים של חלקיקי סגסוגת Bi₂Te₃ נותרים למעשה ללא שינוי לאחר הטחינה. תוצאות אלו מצביעות על כך שקצוות חלקים הם מאפיין ייחודי של טחינה אולטרסונית. גם החיסכון בזמן באמצעות טחינה אולטרסונית (4 h לעומת 48 h של טחינה כדורית) ראוי לציון.

התפלגות גודל החלקיקים ותמונות SEM של Mg2Si לפני טחינה אולטרסונית ואחריה. (a) התפלגות גודל החלקיקים; (b) תמונת SEM לפני טחינה אולטרסונית; (c) תמונת SEM לאחר טחינה אולטרסונית ב־50% PVP–50% EtOH במשך 2 h.
מקור: Marquez-Garcia et al. 2015.

Marquez-Garcia et al. (2015) מסיקים שטחינה אולטרסונית יכולה לפרק אבקות Bi₂Te₃ ו־Mg₂Si לחלקיקים קטנים יותר, שגודלם נע בין 40 ל־400 nm, דבר המצביע על טכניקה אפשרית לייצור תעשייתי של ננו־חלקיקים. בהשוואה לטחינה כדורית עתירת אנרגיה, לטחינה אולטרסונית יש שני מאפיינים ייחודיים:

1. 1. הופעת פער בגודל החלקיקים המפריד בין החלקיקים המקוריים לבין אלו שנוצרו בטחינה אולטרסונית; וכן
2. 2. לאחר טחינה אולטרסונית ניכרים שינויים משמעותיים במורפולוגיה של פני השטח, המעידים על האפשרות לשנות את פני השטח של החלקיקים באופן מבוקר.

מסקנה

טחינה אולטרסונית של חלקיקים קשים יותר מחייבת סוניקציה בלחץ כדי ליצור קוויטציה עזה. סוניקציה בלחץ מוגבר (המכונה מנוסוניקציה) מגבירה באופן דרסטי את כוחות הגזירה ואת המאמצים המופעלים על החלקיקים.
מערך סוניקציה רציף בקו התהליך מאפשר עומס חלקיקים גבוה יותר (תרחיף דמוי משחה), המשפר את תוצאות הטחינה משום שטחינה אולטרסונית מבוססת על התנגשויות בין חלקיקים.
סוניקציה במערך סחרור חוזר נפרד מאפשרת להבטיח טיפול אחיד בכל החלקיקים, ולכן התפלגות צרה מאוד של גודל החלקיקים.

יתרון מרכזי של טחינה אולטרסונית הוא שניתן להגדיל בקלות את היקף הייצור לכמויות גדולות – ציוד תעשייתי רב־עוצמה לטחינה אולטרסונית, הזמין מסחרית, יכול לטפל בכמויות של עד 10m³/h.

יתרונות הטחינה האולטרסונית

• מהירה וחוסכת זמן
• חוסכת אנרגיה
• תוצאות הניתנות לשחזור
• ללא גופי טחינה (ללא חרוזים או כדוריות)
• עלות השקעה נמוכה

מכשירים אולטרסוניים בעלי ביצועים גבוהים

טחינה אולטרסונית מחייבת ציוד אולטרסוני בהספק גבוה. כדי ליצור כוחות גזירה עזים הנובעים מקוויטציה, נדרשים משרעות גבוהות ולחץ גבוה. המעבדים האולטרסוניים התעשייתיים של Hielscher Ultrasonics יכולים לספק משרעות גבוהות מאוד. ניתן לעבוד בקלות במשרעות של עד 200µm באופן רציף, בהפעלה 24/7. למשרעות גבוהות אף יותר, זמינות סונוטרודות אולטרסוניות מותאמות אישית. בשילוב עם ריאקטורי הזרימה של Hielscher הניתנים להפעלה בלחץ, נוצרת קוויטציה עזה מאוד, כך שניתן להתגבר על קשרים בין־מולקולריים ולהשיג השפעות טחינה יעילות.
עמידותו של הציוד האולטרסוני של Hielscher מאפשרת הפעלה 24/7 בעומסי עבודה כבדים ובסביבות תובעניות. בקרה דיגיטלית ובקרה מרחוק, וכן רישום אוטומטי של נתונים בכרטיס SD מובנה, מבטיחים עיבוד מדויק, איכות הניתנת לשחזור ואפשרות לתקנון התהליך.

יתרונות המכשירים האולטרסוניים בעלי הביצועים הגבוהים של Hielscher

• משרעות גבוהות מאוד
• לחצים גבוהים
• תהליך רציף בקו התהליך
• ציוד עמיד
• הגדלה ליניארית של קנה המידה
• בטוחים וקלים להפעלה
• קלים לניקוי