Սոնոֆրագմենտացիա – հզոր ուլտրաձայնի ազդեցությունը մասնիկների կոտրման վրա

Սոնոֆրագմենտացիան նկարագրում է բարձր հզորության ուլտրաձայնի միջոցով մասնիկների կոտրումը նանոչափ բեկորների։ Ի տարբերություն սովորական ուլտրաձայնային դեագլոմերացիայի և աղացման – որոնց ընթացքում մասնիկները հիմնականում մանրացվում և բաժանվում են միջմասնիկային բախումների միջոցով – սոնոֆրագմենտացիան առանձնանում է մասնիկի և հարվածային ալիքի անմիջական փոխազդեցությամբ։ Բարձր հզորության / ցածր հաճախականության ուլտրաձայնն առաջացնում է կավիտացիա և դրա շնորհիվ՝ ինտենսիվ սահքային ուժեր հեղուկներում։ Կավիտացիոն պղպջակների փլուզման և միջմասնիկային բախումների ծայրահեղ պայմանները մասնիկները մանրացնում են՝ ստանալով շատ մանրահատիկ նյութ։

Նանոմասնիկների ուլտրաձայնային արտադրություն և պատրաստում

Նանոնյութերի արտադրության մեջ հզոր ուլտրաձայնի ազդեցությունները լավ հայտնի են. ուլտրաձայնային մշակմամբ դիսպերսումը, դեագլոմերացիան, աղացումն ու մանրացումը, ինչպես նաև ֆրագմենտացիան հաճախ միակ արդյունավետ մեթոդն են՝ մշակելու նանոմասնիկները։ Սա հատկապես ճիշտ է հատուկ գործառութային հատկություններով շատ մանր նանոնյութերի դեպքում, քանի որ նանոչափերի դեպքում դրսևորվում են մասնիկների եզակի բնութագրերը։ Որոշակի գործառութային հատկություններով նանոնյութ ստեղծելու համար անհրաժեշտ է ապահովել ուլտրաձայնային մշակման համաչափ և հուսալի գործընթաց։ Hielscher-ը մատակարարում է ուլտրաձայնային սարքավորումներ՝ լաբորատոր մասշտաբից մինչև լիարժեք առևտրային արտադրության մասշտաբ։

Սոնոֆրագմենտացիա՝ կավիտացիայի միջոցով

Հեղուկների մեջ հզոր ուլտրաձայնային ուժերի ներմուծումն ստեղծում է ծայրահեղ պայմաններ։ Երբ ուլտրաձայնը տարածվում է հեղուկ միջավայրում, ուլտրաձայնային ալիքներն առաջացնում են սեղմման և նոսրացման հերթագայող ցիկլեր (բարձր և ցածր ճնշման ցիկլեր)։ Ցածր ճնշման ցիկլերի ընթացքում հեղուկում առաջանում են փոքր վակուումային պղպջակներ։ Այս կավիտացիոն պղպջակներն աճում են ցածր ճնշման մի քանի ցիկլերի ընթացքում, մինչև հասնում են այնպիսի չափի, երբ այլևս չեն կարող ավելի շատ էներգիա կլանել։ Առավելագույն կլանված էներգիայի և պղպջակի առավելագույն չափի այս վիճակում կավիտացիոն պղպջակը բուռն կերպով փլուզվում է՝ տեղային ծայրահեղ պայմաններ ստեղծելով։ Կավիտացիոն պղպջակների իմպլոզիայի հետևանքով տեղային մակարդակում առաջանում են մոտ 5000K շատ բարձր ջերմաստիճաններ և մոտ 2000atm ճնշումներ։ Իմպլոզիան առաջացնում է մինչև 280m/s (≈1000km/h) արագությամբ հեղուկի շիթեր։ Սոնոֆրագմենտացիան նկարագրում է այս ինտենսիվ ուժերի կիրառումը՝ մասնիկներն ավելի փոքր՝ ենթամիկրոնային և նանոչափերի տիրույթում գտնվող չափերի բեկորների բաժանելու համար։ Ուլտրաձայնային մշակման շարունակման հետ մասնիկների ձևն անկյունավորից դառնում է գնդաձև, ինչը բարձրացնում է մասնիկների արժեքը։ Սոնոֆրագմենտացիայի արդյունքներն արտահայտվում են ֆրագմենտացիայի արագությամբ, որը նկարագրվում է որպես ներմուծվող հզորության, ուլտրաձայնով մշակվող ծավալի և ագլոմերատների չափի ֆունկցիա։
Kusters-ը և համահեղինակները (1994) ուսումնասիրել են ուլտրաձայնի օժանդակությամբ ագլոմերատների ֆրագմենտացիան՝ դրա էներգասպառման հետ կապված։ Հետազոտողների արդյունքները «ցույց են տալիս, որ ուլտրաձայնային դիսպերսման տեխնիկան կարող է նույնքան արդյունավետ լինել, որքան մանրացման ավանդական տեխնիկաները։ Ուլտրաձայնային դիսպերսման արդյունաբերական կիրառումը (օրինակ՝ ավելի մեծ զոնդեր, կախույթի շարունակական թողունակություն) կարող է որոշ չափով փոխել այս արդյունքները, սակայն ընդհանուր առմամբ ակնկալվում է, որ մանրացման այս տեխնիկայի ընտրության պատճառը էներգիայի տեսակարար սպառումը չէ, այլ չափազանց մանր (ենթամիկրոնային) մասնիկներ ստանալու դրա կարողությունը»։ [Kusters et al. 1994] Հատկապես էրոզիայի ենթարկվող փոշիների, օրինակ՝ սիլիցիումի երկօքսիդի կամ ցիրկոնիումի երկօքսիդի, դեպքում պարզվել է, որ ուլտրաձայնային մանրացման ժամանակ փոշու զանգվածի միավորի համար պահանջվող տեսակարար էներգիան ավելի ցածր է, քան մանրացման ավանդական մեթոդների դեպքում։ Ուլտրաձայնային մշակումը մասնիկների վրա ազդում է ոչ միայն աղացմամբ և մանրացմամբ, այլև պինդ նյութերը փայլեցնելով։ Դրա շնորհիվ հնարավոր է հասնել մասնիկների բարձր գնդայնության։

Սոնոֆրագմենտացիա՝ նանոնյութերի բյուրեղացման համար

«Թեև գրեթե կասկած չկա, որ ուլտրաձայնով ճառագայթվող մոլեկուլային բյուրեղների կախույթներում միջմասնիկային բախումներ իսկապես տեղի են ունենում, դրանք ֆրագմենտացիայի գերակշռող աղբյուրը չեն։ Ի տարբերություն մոլեկուլային բյուրեղների՝ մետաղական մասնիկներն անմիջականորեն չեն վնասվում հարվածային ալիքներից և կարող են ազդեցության ենթարկվել միայն ավելի ինտենսիվ (բայց շատ ավելի հազվադեպ) միջմասնիկային բախումներից։ Մետաղական փոշիների և ասպիրինի կախույթների ուլտրաձայնային մշակման ժամանակ գերակշռող մեխանիզմների փոփոխությունն ընդգծում է կռելի մետաղական մասնիկների և փխրուն մոլեկուլային բյուրեղների հատկությունների տարբերությունները»։ [Zeiger/ Suslick 2011, 14532]

Ասպիրինի մասնիկների սոնոֆրագմենտացիա [Zeiger/ Suslick 2011]

Gopi-ն և համահեղինակները (2008) ուսումնասիրել են սոնոֆրագմենտացիայի միջոցով միկրոմետրային չափերի ելանյութից (օրինակ՝ 70–80 μm) բարձր մաքրության ենթամիկրոմետրային ալյումինի օքսիդի կերամիկական մասնիկների ստացումը (հիմնականում 100 nm-ից փոքր չափերի տիրույթում)։ Նրանք սոնոֆրագմենտացիայի արդյունքում նկատել են ալյումինի օքսիդի կերամիկական մասնիկների գույնի և ձևի զգալի փոփոխություն։ Բարձր հզորության ուլտրաձայնային մշակմամբ կարելի է հեշտությամբ ստանալ միկրոնային, ենթամիկրոնային և նանոչափերի տիրույթների մասնիկներ։ Մասնիկների գնդայնությունն աճել է ակուստիկ դաշտում մնալու ժամանակի ավելացման հետ։

Դիսպերսում մակերևութաակտիվ նյութի մեջ

Ուլտրաձայնի միջոցով մասնիկների արդյունավետ կոտրման պատճառով մակերևութաակտիվ նյութերի կիրառումն անհրաժեշտ է՝ ստացված ենթամիկրոնային և նանոչափ մասնիկների դեագլոմերացիան կանխելու համար։ Որքան փոքր է մասնիկի չափը, այնքան բարձր է մակերևույթի մակերեսի չափերի հարաբերակցությունը, և այդ մակերևույթը պետք է պատված լինի մակերևութաակտիվ նյութով՝ մասնիկները կախույթում պահելու և դրանց կոագուլյացիայից (ագլոմերացիայից) խուսափելու համար։ Ուլտրաձայնային մշակման առավելությունը դիսպերսող ազդեցությունն է. աղացման և ֆրագմենտացիայի հետ միաժամանակ ուլտրաձայնը մանրացված մասնիկների բեկորները դիսպերսում է մակերևութաակտիվ նյութի հետ, ինչի շնորհիվ նանոմասնիկների ագլոմերացիան (գրեթե) ամբողջությամբ կանխվում է։

Արդյունաբերական արտադրություն

Արտասովոր գործառութային հատկություններ դրսևորող բարձրորակ նանոնյութով շուկան ապահովելու համար անհրաժեշտ է հուսալի մշակման սարքավորում։ Յուրաքանչյուր միավորի համար մինչև 16kW հզորությամբ ուլտրաձայնային սարքերը, որոնք կարող են միավորվել խմբերի մեջ, թույլ են տալիս մշակել գործնականում անսահմանափակ ծավալային հոսքեր։ Ուլտրաձայնային գործընթացների լիովին գծային մասշտաբավորման շնորհիվ ուլտրաձայնային կիրառությունները կարելի է առանց ռիսկի փորձարկել լաբորատորիայում, օպտիմալացնել սեղանադիր սարքավորումների մասշտաբով, ապա առանց խնդիրների ներդնել արտադրական գծում։ Քանի որ ուլտրաձայնային սարքավորումը մեծ տարածք չի պահանջում, այն կարող է նույնիսկ հետագայում ինտեգրվել առկա տեխնոլոգիական հոսքերին։ Շահագործումը պարզ է և կարող է վերահսկվել ու իրականացվել հեռակառավարմամբ, իսկ ուլտրաձայնային համակարգի տեխնիկական սպասարկման անհրաժեշտությունը գրեթե աննշան է։

Bi2Te3-ի հիմքով համաձուլվածքի մասնիկների չափաբաշխումը և սկանավորող էլեկտրոնային մանրադիտակով (SEM) ստացված պատկերները՝ ուլտրաձայնային աղացումից առաջ և հետո։ a – մասնիկների չափաբաշխում, b – SEM պատկեր՝ ուլտրաձայնային աղացումից առաջ, c – SEM պատկեր՝ 4 h ուլտրաձայնային աղացումից հետո, d – SEM պատկեր՝ 8 h ուլտրաձայնային աղացումից հետո։
աղբյուր՝ Marquez-Garcia et al. 2015.

Գրականություն / Հղումներ

• Ambedkar, B. (2012): Ultrasonic Coal-Wash for De-Ashing and De-Sulfurization: Experimental Investigation and Mechanistic Modeling. Springer, 2012.
• Eder, Rafael J. P.; Schrank, Simone; Besenhard, Maximilian O.; Roblegg, Eva; Gruber-Woelfler, Heidrun; Khinast, Johannes G. (2012): Continuous Sonocrystallization of Acetylsalicylic Acid (ASA): Control of Crystal Size. Crystal Growth & Design 12/10, 2012. 4733-4738.
• Gopi, K. R.; Nagarajan, R. (2008): Advances in Nanoalumina Ceramic Particle Fabrication Using Sonofragmentation. IEEE Transactions on Nanotechnology 7/5, 2008. 532-537.
• Kusters, Karl; Pratsinis, Sotiris E.; Thoma, Steven G.; Smith, Douglas M. (1994): Energy-size reduction laws for ultrasonic fragmentation. Powder Technology 80, 1994. 253-263.
• Zeiger, Brad W.; Suslick, Kenneth S. (2011): Sonofragementation of Molecular Crystals. Journal of the American Chemical Society. 2011.