Ultrazvučno mljevenje termoelektričnih nanoprahova

• Istraživanja su pokazala da se ultrazvučno mljevenje može uspješno primjenjivati za proizvodnju termoelektričnih nanočestica te da ima potencijal za manipuliranje površinama čestica.
• Ultrazvučno mljevene čestice (npr. legure na bazi Bi₂Te₃) pokazale su znatno smanjenje veličine, pri čemu su dobivene nanočestice manje od 10µm.
• Nadalje, sonikacija uzrokuje znatne promjene morfologije površine čestica i time omogućuje funkcionalizaciju površine mikročestica i nanočestica.

Termoelektrične nanočestice

Termoelektrični materijali pretvaraju toplinsku energiju u električnu energiju na temelju Seebeckova i Peltierova učinka. Time se omogućuje učinkovito iskorištavanje teško iskoristive ili gotovo izgubljene toplinske energije u produktivne svrhe. Budući da se termoelektrični materijali mogu uključiti u nove primjene poput biotermalnih baterija, termoelektričnog hlađenja u čvrstom stanju, optoelektroničkih uređaja te proizvodnje električne energije u svemiru i automobilima, istraživači i industrija traže jednostavne i brze tehnike za proizvodnju ekološki prihvatljivih, ekonomičnih termoelektričnih nanočestica stabilnih pri visokim temperaturama. Ultrazvučno mljevenje kao i sinteza odozdo prema gore (sonokristalizacija) dva su obećavajuća puta do brze masovne proizvodnje termoelektričnih nanomaterijala.

Oprema za ultrazvučno mljevenje

Za smanjenje veličine čestica praha bizmutova telurida (Bi₂Te₃), magnezijeva silicida (Mg₂Si) i silicija (Si) upotrijebljen je ultrazvučni sustav visokog intenziteta UIP1000hdT (1kW, 20kHz) u postavu s otvorenom laboratorijskom čašom. U svim je pokusima amplituda bila postavljena na 140µm. Posuda s uzorkom hladi se u vodenoj kupelji, a temperatura se kontrolira termoparom. Zbog sonikacije u otvorenoj posudi hlađenje je primijenjeno kako bi se spriječilo isparavanje otopina za mljevenje (npr. etanola, butanola ili vode).

(a) Shematski prikaz eksperimentalnog postava. (b) Aparatura za ultrazvučno mljevenje. Izvor: Marquez-Garcia i sur. 2015.

Ultrazvučno mljevenje tijekom samo 4h legure Bi₂Te₃ već je rezultiralo znatnom količinom nanočestica veličine između 150 i 400 nm. Osim smanjenja veličine na nanometarsko područje, sonikacija je uzrokovala i promjenu morfologije površine. SEM snimke na donjoj slici b, c i d pokazuju da su oštri rubovi čestica prije ultrazvučnog mljevenja nakon ultrazvučnog mljevenja postali glatki i zaobljeni.

Raspodjela veličine čestica i SEM snimke legure na bazi Bi2Te3 prije i nakon ultrazvučnog mljevenja. a – Raspodjela veličine čestica; b – SEM snimka prije ultrazvučnog mljevenja; c – SEM snimka nakon ultrazvučnog mljevenja tijekom 4 h; d – SEM snimka nakon ultrazvučnog mljevenja tijekom 8 h.
Izvor: Marquez-Garcia i sur. 2015.

Kako bi se utvrdilo postižu li se smanjenje veličine čestica i modifikacija površine isključivo ultrazvučnim mljevenjem, provedeni su slični pokusi s pomoću visokoenergetskog kugličnog mlina. Rezultati su prikazani na sl. 3. Očito je da su mljevenjem u kugličnom mlinu tijekom 48 h (12 puta dulje od ultrazvučnog mljevenja) dobivene čestice veličine 200–800 nm. SEM pokazuje da oštri rubovi čestica legure Bi₂Te₃ nakon mljevenja ostaju uglavnom nepromijenjeni. Ti rezultati upućuju na to da su glatki rubovi jedinstvena značajka ultrazvučnog mljevenja. Ušteda vremena ultrazvučnim mljevenjem (4 h u odnosu na 48 h mljevenja u kugličnom mlinu) također je iznimna.

Raspodjela veličine čestica i SEM snimke Mg2Si prije i nakon ultrazvučnog mljevenja. (a) Raspodjela veličine čestica; (b) SEM snimka prije ultrazvučnog mljevenja; (c) SEM snimka nakon ultrazvučnog mljevenja u 50% PVP–50% EtOH tijekom 2 h.
Izvor: Marquez-Garcia i sur. 2015.

Marquez-Garcia i sur. (2015) zaključuju da ultrazvučno mljevenje može usitniti prah Bi₂Te₃ i Mg₂Si u manje čestice, čije se veličine kreću od 40 do 400 nm, što upućuje na potencijalnu tehniku za industrijsku proizvodnju nanočestica. U usporedbi s visokoenergetskim mljevenjem u kugličnom mlinu, ultrazvučno mljevenje ima dvije jedinstvene značajke:

1. 1. pojavu razmaka u raspodjeli veličine čestica koji odvaja izvorne čestice od onih dobivenih ultrazvučnim mljevenjem; i
2. 2. znatne promjene morfologije površine vidljive nakon ultrazvučnog mljevenja, koje upućuju na mogućnost manipuliranja površinama čestica.

Zaključak

Ultrazvučno mljevenje tvrđih čestica zahtijeva sonikaciju pod tlakom kako bi se stvorila intenzivna kavitacija. Sonikacija pri povišenom tlaku (takozvana manosonikacija) drastično povećava smične sile i naprezanje čestica.
Kontinuirani postav za sonikaciju u liniji omogućuje veće opterećenje česticama (suspenzija nalik pasti), što poboljšava rezultate mljevenja jer se ultrazvučno mljevenje temelji na sudarima među česticama.
Sonikacija u zasebnom recirkulacijskom postavu omogućuje homogenu obradu svih čestica, a time i vrlo usku raspodjelu veličine čestica.

Velika prednost ultrazvučnog mljevenja jest to što se tehnologija može lako prenijeti na veće mjerilo za proizvodnju velikih količina – komercijalno dostupna snažna industrijska oprema za ultrazvučno mljevenje može obraditi količine do 10m³/h.

Prednosti ultrazvučnog mljevenja

• Brzo, štedi vrijeme
• Štedi energiju
• Ponovljivi rezultati
• Bez sredstava za mljevenje (bez kuglica ili perli)
• Niski investicijski troškovi

Ultrazvučni uređaji visokih performansi

Ultrazvučno mljevenje zahtijeva ultrazvučnu opremu velike snage. Za stvaranje intenzivnih kavitacijskih smičnih sila ključni su visoke amplitude i tlak. Industrijski ultrazvučni procesori tvrtke Hielscher Ultrasonics mogu postići vrlo visoke amplitude. Amplitude do 200µm mogu se lako kontinuirano održavati u radu 24/7. Za još više amplitude dostupne su prilagođene ultrazvučne sonotrode. U kombinaciji s protočnim reaktorima tvrtke Hielscher koji se mogu staviti pod tlak stvara se vrlo intenzivna kavitacija, čime se mogu nadvladati međumolekulske veze i postići učinkoviti učinci mljevenja.
Robusnost ultrazvučne opreme tvrtke Hielscher omogućuje rad 24/7 pri velikom opterećenju i u zahtjevnim okruženjima. Digitalno i daljinsko upravljanje te automatsko bilježenje podataka na ugrađenu SD karticu osiguravaju preciznu obradu, ponovljivu kvalitetu i omogućuju standardizaciju procesa.

Prednosti ultrazvučnih uređaja visokih performansi tvrtke Hielscher

• vrlo visoke amplitude
• visoki tlakovi
• kontinuirani proces u liniji
• robusna oprema
• linearno povećanje mjerila
• sigurno i jednostavno rukovanje
• jednostavno čišćenje