Sonofragmentasi – Pengaruh Ultrasonik Berdaya Tinggi terhadap Pemecahan Partikel

Sonofragmentasi menggambarkan pemecahan partikel menjadi fragmen berukuran nano oleh ultrasonik berdaya tinggi. Berbeda dengan deaglomerasi dan penggilingan ultrasonik yang umum – ketika partikel terutama digiling dan dipisahkan melalui tumbukan antarpartikel – sonofragmentasi dicirikan oleh interaksi langsung antara partikel dan gelombang kejut. Ultrasonik berdaya tinggi/frekuensi rendah menghasilkan kavitasi sehingga menimbulkan gaya geser yang intens dalam cairan. Kondisi ekstrem akibat runtuhnya gelembung kavitasi dan tumbukan antarpartikel menggiling partikel menjadi material berukuran sangat halus.

Produksi dan Preparasi Partikel Nano secara Ultrasonik

Efek ultrasonik berdaya tinggi untuk produksi material nano telah dikenal luas: pendispersian, deaglomerasi, penggilingan dan penghalusan, serta fragmentasi melalui sonikasi sering kali merupakan satu-satunya metode yang efektif untuk mengolah partikel nano. Hal ini terutama berlaku untuk material nano yang sangat halus dengan fungsionalitas khusus, karena karakteristik unik partikel muncul pada ukuran nano. Untuk menghasilkan material nano dengan fungsionalitas tertentu, proses sonikasi yang merata dan andal harus dipastikan. Hielscher menyediakan peralatan ultrasonik dari skala laboratorium hingga skala produksi komersial penuh.

Sonofragmentasi melalui Kavitasi

Penerapan gaya ultrasonik yang kuat ke dalam cairan menciptakan kondisi ekstrem. Ketika ultrasonik merambat melalui medium cair, gelombang ultrasonik menghasilkan siklus kompresi dan rarefaksi yang bergantian (siklus tekanan tinggi dan tekanan rendah). Selama siklus tekanan rendah, gelembung vakum kecil terbentuk dalam cairan. Gelembung kavitasi ini tumbuh selama beberapa siklus tekanan rendah hingga mencapai ukuran ketika gelembung tidak dapat lagi menyerap energi. Pada kondisi energi yang terserap dan ukuran gelembung yang maksimum ini, gelembung kavitasi runtuh dengan dahsyat dan menciptakan kondisi ekstrem secara lokal. Akibat implosi gelembung kavitasi , suhu yang sangat tinggi, sekitar 5000K, dan tekanan sekitar 2000atm tercapai secara lokal. Implosi tersebut menghasilkan semburan cairan dengan kecepatan hingga 280m/s (≈1000km/h). Sonofragmentasi menggambarkan penggunaan gaya-gaya yang intens ini untuk memecah partikel menjadi dimensi yang lebih kecil dalam rentang submikron dan nano. Seiring berlangsungnya sonikasi, bentuk partikel berubah dari bersudut menjadi bulat, sehingga meningkatkan nilai partikel tersebut. Hasil sonofragmentasi dinyatakan sebagai laju fragmentasi yang dijelaskan sebagai fungsi dari masukan daya, volume yang disonikasi, dan ukuran aglomerat.
Kusters et al. (1994) meneliti fragmentasi aglomerat berbantuan ultrasonik dalam kaitannya dengan konsumsi energinya. Hasil para peneliti tersebut “menunjukkan bahwa teknik dispersi ultrasonik dapat sama efisiennya dengan teknik penggilingan konvensional. Praktik dispersi ultrasonik dalam industri (misalnya, probe yang lebih besar, pemrosesan suspensi secara kontinu) mungkin sedikit mengubah hasil ini, tetapi secara keseluruhan diperkirakan bahwa konsumsi energi spesifik bukanlah alasan pemilihan teknik pengecilan ukuran ini, melainkan kemampuannya untuk menghasilkan partikel yang sangat halus (submikron).” [Kusters et al. 1994] Khususnya untuk serbuk yang mengalami erosi seperti silika atau zirkonia, energi spesifik yang dibutuhkan per satuan massa serbuk ditemukan lebih rendah pada penggilingan ultrasonik dibandingkan dengan metode penggilingan konvensional. Ultrasonikasi memengaruhi partikel tidak hanya melalui penggilingan dan penghalusan, tetapi juga dengan memoles padatan. Dengan demikian, tingkat kebulatan partikel yang tinggi dapat dicapai.

Sonofragmentasi untuk Kristalisasi Nanomaterial

“Meskipun hampir tidak diragukan bahwa tumbukan antarpartikel memang terjadi dalam suspensi pekat kristal molekuler yang dipapari ultrasonik, tumbukan tersebut bukanlah sumber fragmentasi yang dominan. Berbeda dengan kristal molekuler, partikel logam tidak rusak secara langsung oleh gelombang kejut dan hanya dapat terpengaruh oleh tumbukan antarpartikel yang lebih intens (tetapi jauh lebih jarang). Pergeseran mekanisme dominan pada sonikasi serbuk logam dibandingkan dengan suspensi pekat aspirin menyoroti perbedaan sifat antara partikel logam yang dapat ditempa dan kristal molekuler yang mudah remuk.” [Zeiger/ Suslick 2011, 14532]

Sonofragmentasi partikel aspirin [Zeiger/ Suslick 2011]

Gopi et al. (2008) meneliti pembuatan partikel keramik alumina submikrometer dengan kemurnian tinggi (terutama dalam rentang di bawah 100 nm) dari bahan umpan berukuran mikrometer (misalnya, 70–80 μm) menggunakan sonofragmentasi. Mereka mengamati perubahan warna dan bentuk partikel keramik alumina yang signifikan akibat sonofragmentasi. Partikel dalam rentang ukuran mikron, submikron, dan nano dapat diperoleh dengan mudah melalui sonikasi berdaya tinggi. Tingkat kebulatan partikel meningkat seiring bertambahnya waktu tinggal dalam medan akustik.

Dispersi dalam Surfaktan

Karena pemecahan partikel secara ultrasonik berlangsung efektif, penggunaan surfaktan sangat penting untuk mencegah deaglomerasi partikel berukuran submikron dan nano yang diperoleh. Semakin kecil ukuran partikel, semakin tinggi rasio aspek luas permukaannya, yang harus dilapisi surfaktan agar partikel tetap tersuspensi dan untuk menghindari koagulasi (aglomerasi) partikel. Keunggulan ultrasonikasi terletak pada efek pendispersiannya: bersamaan dengan penggilingan dan fragmentasi, ultrasonik mendispersikan fragmen partikel hasil penggilingan dengan surfaktan sehingga aglomerasi partikel nano dapat dihindari (hampir) sepenuhnya.

Produksi Industri

Untuk memenuhi kebutuhan pasar akan material nano berkualitas tinggi yang memiliki fungsionalitas luar biasa, diperlukan peralatan pemrosesan yang andal. Sonikator dengan daya hingga 16kW per unit yang dapat digabungkan dalam kelompok memungkinkan pemrosesan aliran volume yang hampir tidak terbatas. Berkat kemampuan peningkatan skala proses ultrasonik yang sepenuhnya linear, aplikasi ultrasonik dapat diuji tanpa risiko di laboratorium, dioptimalkan pada skala meja laboratorium, lalu diterapkan tanpa masalah ke dalam lini produksi. Karena peralatan ultrasonik tidak memerlukan ruang yang besar, peralatan ini bahkan dapat dipasang ke dalam aliran proses yang sudah ada. Pengoperasiannya mudah serta dapat dipantau dan dijalankan melalui kendali jarak jauh, sementara kebutuhan pemeliharaan sistem ultrasonik hampir dapat diabaikan.

Distribusi ukuran partikel dan citra SEM paduan berbasis Bi2Te3 sebelum dan sesudah penggilingan ultrasonik. a – Distribusi ukuran partikel; b – Citra SEM sebelum penggilingan ultrasonik; c – Citra SEM setelah penggilingan ultrasonik selama 4 h; d – Citra SEM setelah penggilingan ultrasonik selama 8 h.
sumber: Marquez-Garcia et al. 2015.

Literatur / Referensi

• 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.