तापविद्युत नैनो-पाउडर की अल्ट्रासोनिक मिलिंग

• शोध से पता चला है कि तापविद्युत नैनोकणों के निर्माण के लिए अल्ट्रासोनिक मिलिंग का सफलतापूर्वक उपयोग किया जा सकता है और इसमें कणों की सतहों में बदलाव करने की क्षमता है।
• अल्ट्रासोनिक मिलिंग से संसाधित कणों (जैसे Bi₂Te₃-आधारित मिश्रधातु) के आकार में उल्लेखनीय कमी देखी गई और 10µm से छोटे नैनोकण तैयार हुए।
• इसके अलावा, सोनिकेशन कणों की सतही आकृति में उल्लेखनीय बदलाव उत्पन्न करता है और इस प्रकार सूक्ष्म तथा नैनोकणों की सतह को प्रकार्यात्मक बनाना संभव करता है।

तापविद्युत नैनोकण

तापविद्युत पदार्थ सीबेक और पेल्टियर प्रभाव के आधार पर ऊष्मीय ऊर्जा को विद्युत ऊर्जा में परिवर्तित करते हैं। इससे ऐसी ऊष्मीय ऊर्जा का उत्पादक अनुप्रयोगों में प्रभावी उपयोग संभव हो जाता है जिसका उपयोग कठिन है या जो लगभग व्यर्थ चली जाती है। चूँकि तापविद्युत पदार्थों को जैव-तापीय बैटरियों, ठोस-अवस्था तापविद्युत शीतलन, प्रकाश-इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों, अंतरिक्ष तथा मोटर वाहन विद्युत उत्पादन जैसे नवीन अनुप्रयोगों में शामिल किया जा सकता है, इसलिए शोध जगत और उद्योग पर्यावरण के अनुकूल, किफायती और उच्च तापमान पर स्थिर तापविद्युत नैनोकणों के उत्पादन के लिए सरल और त्वरित तकनीकों की खोज कर रहे हैं। अल्ट्रासोनिक मिलिंग तथा बॉटम-अप संश्लेषण (सोनो-क्रिस्टलीकरण) तापविद्युत नैनोपदार्थों के त्वरित बड़े पैमाने पर उत्पादन के दो आशाजनक मार्ग हैं।

अल्ट्रासोनिक मिलिंग उपकरण

बिस्मथ टेल्युराइड (Bi₂Te₃), मैग्नीशियम सिलिसाइड (Mg₂Si) और सिलिकॉन (Si) पाउडर के कणों का आकार घटाने के लिए उच्च-तीव्रता वाली अल्ट्रासोनिक प्रणाली UIP1000hdT (1kW, 20kHz) का उपयोग खुले बीकर की व्यवस्था में किया गया। सभी परीक्षणों के लिए आयाम 140µm पर निर्धारित किया गया था। नमूना पात्र को जल स्नान में ठंडा किया जाता है और तापमान को थर्मोकपल द्वारा नियंत्रित किया जाता है। खुले पात्र में सोनिकेशन के कारण, मिलिंग विलयनों (जैसे एथेनॉल, ब्यूटेनॉल या पानी) के वाष्पीकरण को रोकने के लिए शीतलन का उपयोग किया गया।

(a) प्रायोगिक व्यवस्था का योजनाबद्ध आरेख। (b) अल्ट्रासोनिक मिलिंग उपकरण। स्रोत: Marquez-Garcia et al. 2015.

केवल 4h तक अल्ट्रासोनिक मिलिंग करने पर Bi₂Te₃-मिश्रधातु से 150 और 400 nm के बीच आकार वाले नैनोकण पहले ही पर्याप्त मात्रा में प्राप्त हो गए। आकार के नैनो स्तर तक घटने के अलावा, सोनिकेशन से सतही आकृति में भी बदलाव हुआ। नीचे दिए गए चित्र के b, c और d में SEM छवियाँ दिखाती हैं कि अल्ट्रासोनिक मिलिंग से पहले कणों के जो किनारे तीखे थे, वे अल्ट्रासोनिक मिलिंग के बाद चिकने और गोल हो गए।

अल्ट्रासोनिक मिलिंग से पहले और बाद में Bi2Te3-आधारित मिश्रधातु का कण आकार वितरण और SEM छवियाँ। a – कण आकार वितरण; b – अल्ट्रासोनिक मिलिंग से पहले की SEM छवि; c – 4 h की अल्ट्रासोनिक मिलिंग के बाद की SEM छवि; d – 8 h की अल्ट्रासोनिक मिलिंग के बाद की SEM छवि।
स्रोत: Marquez-Garcia et al. 2015.

यह निर्धारित करने के लिए कि क्या कणों के आकार में कमी और सतह में संशोधन विशेष रूप से अल्ट्रासोनिक मिलिंग से ही प्राप्त होते हैं, उच्च-ऊर्जा बॉल मिल का उपयोग करके समान प्रयोग किए गए। परिणाम चित्र 3 में दिखाए गए हैं। यह स्पष्ट है कि 48 h तक बॉल मिलिंग करने पर 200–800 nm के कण बने (अल्ट्रासोनिक मिलिंग की तुलना में 12 गुना अधिक समय)। SEM से पता चलता है कि Bi₂Te₃-मिश्रधातु के कणों के तीखे किनारे मिलिंग के बाद भी मूलतः अपरिवर्तित रहते हैं। ये परिणाम दर्शाते हैं कि चिकने किनारे अल्ट्रासोनिक मिलिंग की विशिष्ट विशेषता हैं। अल्ट्रासोनिक मिलिंग से समय की बचत भी उल्लेखनीय है (4 h बनाम बॉल मिलिंग के 48 h)।

अल्ट्रासोनिक मिलिंग से पहले और बाद में Mg2Si का कण आकार वितरण और SEM छवियाँ। (a) कण आकार वितरण; (b) अल्ट्रासोनिक मिलिंग से पहले की SEM छवि; (c) 50% PVP–50% EtOH में 2 h की अल्ट्रासोनिक मिलिंग के बाद की SEM छवि।
स्रोत: Marquez-Garcia et al. 2015.

Marquez-Garcia et al. (2015) का निष्कर्ष है कि अल्ट्रासोनिक मिलिंग Bi₂Te₃ और Mg₂Si पाउडर को छोटे कणों में तोड़ सकती है, जिनका आकार 40 से 400 nm तक होता है। यह नैनोकणों के औद्योगिक उत्पादन के लिए एक संभावित तकनीक का संकेत देता है। उच्च-ऊर्जा बॉल मिलिंग की तुलना में अल्ट्रासोनिक मिलिंग की दो विशिष्ट विशेषताएँ हैं:

1. 1. कण आकार में ऐसा अंतराल उत्पन्न होना, जो मूल कणों को अल्ट्रासोनिक मिलिंग द्वारा उत्पन्न कणों से अलग करता है; और
2. 2. अल्ट्रासोनिक मिलिंग के बाद सतही आकृति में पर्याप्त बदलाव स्पष्ट दिखाई देते हैं, जो कणों की सतहों में बदलाव करने की संभावना का संकेत देते हैं।

निष्कर्ष

अधिक कठोर कणों की अल्ट्रासोनिक मिलिंग में तीव्र कैविटेशन उत्पन्न करने के लिए दबाव में सोनिकेशन आवश्यक होता है। बढ़े हुए दबाव में सोनिकेशन (जिसे मैनोसोनिकेशन कहा जाता है) कणों पर लगने वाले अपरूपण बल और प्रतिबल को अत्यधिक बढ़ा देता है।
एक सतत इनलाइन सोनिकेशन व्यवस्था अधिक कण भार (पेस्ट जैसी स्लरी) की अनुमति देती है, जिससे मिलिंग के परिणाम बेहतर होते हैं, क्योंकि अल्ट्रासोनिक मिलिंग कणों के बीच टकराव पर आधारित है।
एक पृथक पुनर्परिसंचरण व्यवस्था में सोनिकेशन सभी कणों का एकसमान उपचार और इसलिए बहुत संकीर्ण कण आकार वितरण सुनिश्चित करना संभव बनाता है।

अल्ट्रासोनिक मिलिंग का एक प्रमुख लाभ यह है कि बड़ी मात्रा में उत्पादन के लिए इस तकनीक का पैमाना आसानी से बढ़ाया जा सकता है – व्यावसायिक रूप से उपलब्ध शक्तिशाली औद्योगिक अल्ट्रासोनिक मिलिंग 10m³/h तक की मात्रा संसाधित कर सकती है।

अल्ट्रासोनिक मिलिंग के लाभ

• त्वरित, समय की बचत
• ऊर्जा की बचत
• पुनरुत्पादनीय परिणाम
• मिलिंग माध्यम की आवश्यकता नहीं (बीड्स या मोतियों की आवश्यकता नहीं)
• कम निवेश लागत

उच्च-प्रदर्शन अल्ट्रासोनिकेटर

अल्ट्रासोनिक मिलिंग के लिए उच्च-शक्ति वाले अल्ट्रासोनिक उपकरण आवश्यक होते हैं। तीव्र कैविटेशन-जनित अपरूपण बल उत्पन्न करने के लिए उच्च आयाम और दबाव अत्यंत महत्वपूर्ण हैं। Hielscher Ultrasonics के औद्योगिक अल्ट्रासोनिक प्रोसेसर बहुत उच्च आयाम प्रदान कर सकते हैं। 200µm तक के आयामों पर 24/7 संचालन में आसानी से लगातार काम किया जा सकता है। इससे भी उच्च आयामों के लिए आवश्यकतानुसार अनुकूलित अल्ट्रासोनिक सोनोट्रोड उपलब्ध हैं। Hielscher के दबावयुक्त किए जा सकने वाले प्रवाह रिएक्टरों के साथ संयोजन में बहुत तीव्र कैविटेशन उत्पन्न होता है, जिससे अंतराअणुक बंधनों को तोड़ा जा सकता है और प्रभावी मिलिंग प्राप्त होती है।
Hielscher के अल्ट्रासोनिक उपकरणों की मजबूती भारी कार्यभार और कठिन परिस्थितियों में 24/7 संचालन संभव बनाती है। डिजिटल और रिमोट नियंत्रण तथा अंतर्निर्मित SD कार्ड पर स्वचालित डेटा रिकॉर्डिंग सटीक प्रसंस्करण और पुनरुत्पादनीय गुणवत्ता सुनिश्चित करते हैं तथा प्रक्रिया का मानकीकरण संभव बनाते हैं।

Hielscher के उच्च-प्रदर्शन अल्ट्रासोनिकेटरों के लाभ

• बहुत उच्च आयाम
• उच्च दबाव
• सतत इनलाइन प्रक्रिया
• मजबूत उपकरण
• रैखिक रूप से पैमाना बढ़ाना
• सुरक्षित और संचालन में आसान
• साफ करना आसान