Sonoframmentazione – L’effetto degli ultrasuoni di potenza sulla rottura delle particelle

La sonoframmentazione descrive la rottura delle particelle in frammenti di dimensioni nanometriche mediante ultrasuoni ad alta potenza. A differenza della comune deagglomerazione e macinazione a ultrasuoni – in cui le particelle vengono principalmente macinate e separate mediante collisioni tra particelle –, la sonoframmentazione si distingue per l’interazione diretta tra la particella e l’onda d’urto. Gli ultrasuoni ad alta potenza e bassa frequenza generano cavitazione e, di conseguenza, intense forze di taglio nei liquidi. Le condizioni estreme del collasso delle bolle di cavitazione e delle collisioni tra particelle riducono le particelle a materiale di dimensioni molto fini.

Produzione e preparazione di nanoparticelle mediante ultrasuoni

Gli effetti degli ultrasuoni di potenza nella produzione di nanomateriali sono ben noti: la dispersione, la deagglomerazione e la macinazione, così come la frammentazione mediante sonicazione, rappresentano spesso l’unico metodo efficace per trattare le nanoparticelle. Ciò vale soprattutto per i nanomateriali molto fini con funzionalità particolari, poiché alle dimensioni nanometriche si manifestano caratteristiche uniche delle particelle. Per creare nanomateriali con funzionalità specifiche, è necessario garantire un processo di sonicazione uniforme e affidabile. Hielscher fornisce apparecchiature a ultrasuoni dalla scala di laboratorio fino alla produzione commerciale su larga scala.

Sonoframmentazione mediante cavitazione

L’applicazione di potenti forze ultrasoniche ai liquidi crea condizioni estreme. Quando gli ultrasuoni si propagano in un mezzo liquido, le onde ultrasoniche producono cicli alternati di compressione e rarefazione (cicli di alta e bassa pressione). Durante i cicli di bassa pressione, nel liquido si formano piccole bolle di vuoto. Queste bolle di cavitazione crescono nel corso di diversi cicli di bassa pressione fino a raggiungere dimensioni tali da non poter assorbire ulteriore energia. In questo stato di massima energia assorbita e massime dimensioni, la bolla di cavitazione collassa violentemente e crea condizioni localmente estreme. A causa dell’implosione delle bolle di cavitazione , si raggiungono localmente temperature molto elevate, di circa 5000K, e pressioni di circa 2000atm. L’implosione genera getti di liquido con velocità fino a 280m/s (≈1000km/h). La sonoframmentazione descrive l’impiego di queste intense forze per frammentare le particelle fino a dimensioni inferiori, nell’intervallo submicrometrico e nanometrico. Con il progredire della sonicazione, la forma delle particelle passa da angolare a sferica, rendendole più pregiate. I risultati della sonoframmentazione sono espressi come velocità di frammentazione, descritta in funzione della potenza immessa, del volume sottoposto a sonicazione e delle dimensioni degli agglomerati.
Kusters et al. (1994) hanno studiato la frammentazione degli agglomerati assistita da ultrasuoni in relazione al suo consumo energetico. I risultati dei ricercatori «indicano che la tecnica di dispersione a ultrasuoni può essere altrettanto efficiente delle tecniche di macinazione convenzionali. La pratica industriale della dispersione a ultrasuoni (ad esempio, sonde più grandi e trattamento continuo della sospensione) può modificare in parte questi risultati, ma nel complesso si ritiene che il consumo energetico specifico non sia il motivo per scegliere questa tecnica di comminuzione, bensì la sua capacità di produrre particelle estremamente fini (submicrometriche)». [Kusters et al. 1994] In particolare, per le polveri soggette a erosione come la silice o la zirconia, è stato riscontrato che l’energia specifica richiesta per unità di massa della polvere è inferiore nella macinazione a ultrasuoni rispetto ai metodi di macinazione convenzionali. Il trattamento a ultrasuoni agisce sulle particelle non solo attraverso la macinazione, ma anche mediante la levigatura dei solidi. In questo modo è possibile ottenere un’elevata sfericità delle particelle.

Sonoframmentazione per la cristallizzazione dei nanomateriali

«Sebbene vi siano pochi dubbi sul fatto che nelle sospensioni di cristalli molecolari irradiate con ultrasuoni si verifichino collisioni tra particelle, queste non costituiscono la causa predominante della frammentazione. A differenza dei cristalli molecolari, le particelle metalliche non vengono danneggiate direttamente dalle onde d’urto e possono risentire soltanto delle collisioni tra particelle più intense (ma molto più rare). Il cambiamento dei meccanismi predominanti nella sonicazione delle polveri metalliche rispetto alle sospensioni di aspirina evidenzia le differenze nelle proprietà delle particelle metalliche malleabili e dei cristalli molecolari friabili». [Zeiger/ Suslick 2011, 14532]

Sonoframmentazione delle particelle di aspirina [Zeiger/ Suslick 2011]

Gopi et al. (2008) hanno studiato la produzione di particelle ceramiche di allumina ad alta purezza e di dimensioni submicrometriche (prevalentemente inferiori a 100 nm) a partire da materiale di alimentazione di dimensioni micrometriche (ad esempio, 70–80 μm), mediante sonoframmentazione. Hanno osservato un cambiamento significativo del colore e della forma delle particelle ceramiche di allumina in seguito alla sonoframmentazione. Mediante sonicazione ad alta potenza è possibile ottenere facilmente particelle di dimensioni micrometriche, submicrometriche e nanometriche. La sfericità delle particelle aumentava all’aumentare del tempo di permanenza nel campo acustico.

Dispersione in presenza di tensioattivi

Grazie all’efficace rottura delle particelle mediante ultrasuoni, l’impiego di tensioattivi è essenziale per prevenire la deagglomerazione delle particelle submicrometriche e nanometriche ottenute. Quanto minori sono le dimensioni delle particelle, tanto maggiore è il rapporto relativo alla superficie, che deve essere ricoperta di tensioattivo per mantenerle in sospensione ed evitare la coagulazione (agglomerazione) delle particelle. Il vantaggio del trattamento a ultrasuoni risiede nell’effetto disperdente: contemporaneamente alla macinazione e alla frammentazione, gli ultrasuoni disperdono i frammenti delle particelle macinate con il tensioattivo, evitando così (quasi) completamente l’agglomerazione delle nanoparticelle.

Produzione industriale

Per fornire al mercato nanomateriali di alta qualità con funzionalità straordinarie, sono necessarie apparecchiature di processo affidabili. I sonicatori con potenza fino a 16kW per unità, combinabili in gruppi, consentono il trattamento di flussi volumetrici praticamente illimitati. Grazie alla scalabilità completamente lineare dei processi a ultrasuoni, le applicazioni ultrasoniche possono essere testate senza rischi in laboratorio, ottimizzate su scala da banco e quindi implementate senza problemi nella linea di produzione. Poiché le apparecchiature a ultrasuoni non richiedono molto spazio, possono anche essere integrate successivamente nei flussi di processo esistenti. Il funzionamento è semplice e può essere monitorato e gestito tramite controllo remoto, mentre la manutenzione di un sistema a ultrasuoni è pressoché trascurabile.

Distribuzione granulometrica e immagini SEM di una lega a base di Bi2Te3 prima e dopo la macinazione a ultrasuoni. a – Distribuzione granulometrica; b – Immagine SEM prima della macinazione a ultrasuoni; c – Immagine SEM dopo la macinazione a ultrasuoni per 4 h; d – Immagine SEM dopo la macinazione a ultrasuoni per 8 h.
fonte: Marquez-Garcia et al. 2015.

Bibliografia / Riferimenti

• 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.