Ջերմաէլեկտրական նանոփոշիների ուլտրաձայնային աղացում

• Հետազոտությունները ցույց են տվել, որ ուլտրաձայնային աղացումը կարող է հաջողությամբ կիրառվել ջերմաէլեկտրական նանոմասնիկների ստացման համար և ունի մասնիկների մակերևույթները փոփոխելու ներուժ։
• Ուլտրաձայնային եղանակով աղացված մասնիկները (օրինակ՝ Bi₂Te₃ հիմքով համաձուլվածքը) ցուցաբերել են չափերի զգալի նվազում և առաջացրել 10µm-ից փոքր նանոմասնիկներ։
• Ավելին, ուլտրաձայնային մշակումը զգալի փոփոխություններ է առաջացնում մասնիկների մակերևույթի մորֆոլոգիայում և դրանով հնարավորություն տալիս ֆունկցիոնալացնել միկրո- և նանոմասնիկների մակերևույթը։

Ջերմաէլեկտրական նանոմասնիկներ

Ջերմաէլեկտրական նյութերը ջերմային էներգիան փոխակերպում են էլեկտրական էներգիայի՝ հիմնվելով Զեեբեկի և Պելտիեի էֆեկտների վրա։ Դրա շնորհիվ հնարավոր է դառնում դժվար կիրառելի կամ գրեթե կորած ջերմային էներգիան արդյունավետորեն օգտագործել օգտակար կիրառություններում։ Քանի որ ջերմաէլեկտրական նյութերը կարող են ներառվել նորարարական կիրառություններում, ինչպիսիք են կենսաջերմային մարտկոցները, պինդմարմնային ջերմաէլեկտրական սառեցումը, օպտոէլեկտրոնային սարքերը, տիեզերքը և ավտոմոբիլային էլեկտրաէներգիայի արտադրությունը, գիտական հետազոտությունների և արդյունաբերության ոլորտներում փնտրում են պարզ ու արագ մեթոդներ՝ շրջակա միջավայրի համար բարենպաստ, տնտեսապես շահավետ և բարձր ջերմաստիճաններում կայուն ջերմաէլեկտրական նանոմասնիկներ ստանալու համար։ Ուլտրաձայնային աղացումը ինչպես նաև փոքր կառուցվածքային միավորներից ավելի մեծերի կառուցման սկզբունքով սինթեզը (ուլտրաձայնային բյուրեղացումը) ջերմաէլեկտրական նանոնյութերի արագ զանգվածային արտադրության երկու խոստումնալից ուղիներ են։

Ուլտրաձայնային աղացման սարքավորումներ

Բիսմութի տելուրիդի (Bi₂Te₃), մագնեզիումի սիլիցիդի (Mg₂Si) և սիլիցիումի (Si) փոշու մասնիկների չափերը նվազեցնելու համար օգտագործվել է բարձր ինտենսիվության ուլտրաձայնային համակարգը՝ UIP1000hdT (1kW, 20kHz)՝ բաց լաբորատոր բաժակով փորձարարական կայանքում։ Բոլոր փորձերի համար ամպլիտուդը սահմանվել է 140µm։ Նմուշի անոթը սառեցվում է ջրային բաղնիքում, իսկ ջերմաստիճանը վերահսկվում է ջերմազույգով։ Քանի որ ուլտրաձայնային մշակումն իրականացվել է բաց անոթում, սառեցումն օգտագործվել է աղացման լուծույթների (օրինակ՝ էթանոլի, բութանոլի կամ ջրի) գոլորշիացումը կանխելու համար։

(a) Փորձարարական կայանքի սխեմատիկ պատկերը։ (b) Ուլտրաձայնային աղացման սարքը։ Աղբյուր՝ Marquez-Garcia և համահեղինակներ, 2015.

Ընդամենը 4h տևողությամբ ուլտրաձայնային աղացման արդյունքում Bi₂Te₃ համաձուլվածքից արդեն ստացվել է 150-ից 400 nm չափերով նանոմասնիկների զգալի քանակ։ Բացի չափերի՝ մինչև նանոմետրային տիրույթ նվազեցումից, ուլտրաձայնային մշակումը հանգեցրել է նաև մակերևույթի մորֆոլոգիայի փոփոխության։ Ստորև բերված նկարի b, c և d մասերի սկանավորող էլեկտրոնային մանրադիտակով (SEM) պատկերները ցույց են տալիս, որ ուլտրաձայնային աղացումից առաջ մասնիկների սուր եզրերը ուլտրաձայնային աղացումից հետո դարձել են հարթ և կլորացված։

Bi2Te3 հիմքով համաձուլվածքի մասնիկների չափային բաշխումը և SEM պատկերները՝ ուլտրաձայնային աղացումից առաջ և հետո։ a – մասնիկների չափային բաշխումը, b – SEM պատկերը՝ ուլտրաձայնային աղացումից առաջ, c – SEM պատկերը՝ 4 h ուլտրաձայնային աղացումից հետո, d – SEM պատկերը՝ 8 h ուլտրաձայնային աղացումից հետո։
Աղբյուր՝ Marquez-Garcia և համահեղինակներ, 2015.

Պարզելու համար, թե արդյոք մասնիկների չափերի նվազեցումը և մակերևույթի փոփոխումը ձեռք են բերվում բացառապես ուլտրաձայնային աղացմամբ, նմանատիպ փորձեր են իրականացվել բարձր էներգիայի գնդային աղացով։ Արդյունքները ներկայացված են նկ. 3-ում։ Ակնհայտ է, որ 200–800 nm չափերով մասնիկներ ստացվել են 48 h գնդային աղացմամբ (ուլտրաձայնային աղացումից 12 անգամ ավելի երկար ժամանակում)։ SEM պատկերները ցույց են տալիս, որ Bi₂Te₃ համաձուլվածքի մասնիկների սուր եզրերը աղացումից հետո մնում են էապես անփոփոխ։ Այս արդյունքները ցույց են տալիս, որ հարթ եզրերը ուլտրաձայնային աղացման եզակի բնութագրիչներն են։ Ուլտրաձայնային աղացման շնորհիվ ժամանակի խնայողությունը նույնպես նշանակալի է (4 h՝ գնդային աղացման 48 h-ի դիմաց)։

Mg2Si մասնիկների չափային բաշխումը և SEM պատկերները՝ ուլտրաձայնային աղացումից առաջ և հետո։ (a) Մասնիկների չափային բաշխումը, (b) SEM պատկերը՝ ուլտրաձայնային աղացումից առաջ, (c) SEM պատկերը՝ 50% PVP–50% EtOH միջավայրում 2 h ուլտրաձայնային աղացումից հետո։
Աղբյուր՝ Marquez-Garcia և համահեղինակներ, 2015.

Marquez-Garcia և համահեղինակները (2015) եզրակացնում են, որ ուլտրաձայնային աղացումը կարող է մանրացնել Bi₂Te₃ և Mg₂Si փոշին՝ վերածելով այն ավելի փոքր մասնիկների, որոնց չափերը տատանվում են 40-ից 400 nm սահմաններում՝ մատնանշելով նանոմասնիկների արդյունաբերական արտադրության հնարավոր մեթոդ։ Բարձր էներգիայի գնդային աղացման համեմատ՝ ուլտրաձայնային աղացումն ունի երկու եզակի բնութագրիչ.

1. 1. մասնիկների չափերի միջակայքում բացի առաջացում, որը սկզբնական մասնիկները տարանջատում է ուլտրաձայնային աղացմամբ ստացվածներից, և
2. 2. ուլտրաձայնային աղացումից հետո մակերևույթի մորֆոլոգիայի ակնհայտ զգալի փոփոխություններ, որոնք վկայում են մասնիկների մակերևույթները փոփոխելու հնարավորության մասին։

Եզրակացություն

Ավելի կարծր մասնիկների ուլտրաձայնային աղացումը պահանջում է ճնշման տակ ուլտրաձայնային մշակում՝ ինտենսիվ կավիտացիա առաջացնելու համար։ Բարձր ճնշման տակ ուլտրաձայնային մշակումը (այսպես կոչված մանոսոնիկացիան) կտրուկ մեծացնում է սահքի ուժերն ու մասնիկների վրա ազդող լարումները։
Հոսքագծում ուլտրաձայնային անընդհատ մշակման կայանքը թույլ է տալիս մասնիկների ավելի բարձր բեռնվածություն (մածուկանման կախույթ), ինչը բարելավում է աղացման արդյունքները, քանի որ ուլտրաձայնային աղացումը հիմնված է միջմասնիկային բախումների վրա։
Առանձին վերաշրջանառության կայանքում ուլտրաձայնային մշակումը թույլ է տալիս ապահովել բոլոր մասնիկների համասեռ մշակում և, հետևաբար, մասնիկների չափերի շատ նեղ բաշխում։

Ուլտրաձայնային աղացման կարևոր առավելությունն այն է, որ տեխնոլոգիայի մասշտաբը կարող է հեշտությամբ մեծացվել՝ մեծ քանակների արտադրության համար – առևտրային հասանելի հզոր արդյունաբերական ուլտրաձայնային աղացումը կարող է մշակել մինչև 10m³/h ծավալներ։

Ուլտրաձայնային աղացման առավելությունները

• Արագ, ժամանակ խնայող
• Էներգիա խնայող
• Վերարտադրելի արդյունքներ
• Առանց աղացնող մարմինների (առանց գնդիկների կամ ուլունքների)
• Ներդրումային ցածր ծախսեր

Բարձր արդյունավետության ուլտրաձայնային սարքեր

Ուլտրաձայնային աղացումը պահանջում է բարձր հզորության ուլտրաձայնային սարքավորումներ։ Ինտենսիվ կավիտացիոն սահքի ուժեր առաջացնելու համար վճռորոշ են բարձր ամպլիտուդներն ու ճնշումը։ Hielscher Ultrasonics ընկերության արդյունաբերական ուլտրաձայնային պրոցեսորները կարող են ապահովել շատ բարձր ամպլիտուդներ։ Մինչև 200µm ամպլիտուդներ կարելի է հեշտությամբ անընդհատ պահպանել 24/7 աշխատանքային ռեժիմում։ Էլ ավելի բարձր ամպլիտուդների համար հասանելի են անհատական պատվերով պատրաստվող ուլտրաձայնային սոնոտրոդներ։ Hielscher ընկերության՝ ճնշման տակ աշխատելու հնարավորություն ունեցող հոսքային ռեակտորների հետ համակցությամբ առաջանում է շատ ինտենսիվ կավիտացիա, որի շնորհիվ հնարավոր է հաղթահարել միջմոլեկուլային կապերը և հասնել աղացման արդյունավետ ազդեցությունների։
Hielscher ընկերության ուլտրաձայնային սարքավորումների ամրությունը թույլ է տալիս 24/7 աշխատանք՝ ծանր բեռնվածությամբ և պահանջկոտ միջավայրերում։ Թվային և հեռավար կառավարումը, ինչպես նաև ներկառուցված SD քարտի վրա տվյալների ավտոմատ գրանցումն ապահովում են ճշգրիտ մշակում, վերարտադրելի որակ և հնարավորություն են տալիս ստանդարտացնել գործընթացը։

Hielscher բարձր արդյունավետության ուլտրաձայնային սարքերի առավելությունները

• շատ բարձր ամպլիտուդներ
• բարձր ճնշումներ
• անընդհատ գործընթաց հոսքագծում
• ամուր սարքավորումներ
• մասշտաբի գծային մեծացում
• անվտանգ և հեշտ շահագործվող
• հեշտ մաքրվող