• La ricerca ha dimostrato che la fresatura ad ultrasuoni può essere utilizzata con successo per la fabbricazione di nanoparticelle termoelettriche e ha il potenziale per manipolare le superfici delle particelle.
• Particelle macinate ad ultrasuoni (ad es. Bi₂Te₃-) hanno mostrato una significativa riduzione delle dimensioni e fabbricato nano-particelle con meno di 10 µm.
• Inoltre, la sonicazione produce cambiamenti significativi della morfologia superficiale delle particelle e consente di funzionalizzare la superficie delle micro e nano-particelle.

Nanoparticelle termoelettriche

I materiali termoelettrici convertono l'energia termica in energia elettrica grazie all'effetto Seebeck e Peltier. In questo modo è possibile trasformare efficacemente l'energia termica difficilmente utilizzabile o quasi perduta in applicazioni produttive. Poiché i materiali termoelettrici possono essere inclusi in nuove applicazioni come le batterie biotermiche, il raffreddamento termoelettrico a stato solido, i dispositivi optoelettronici, lo spazio e la generazione di energia per autoveicoli, la ricerca e l'industria è alla ricerca di tecniche facili e rapide per produrre nanoparticelle termoelettriche ecologiche, economiche e stabili alle alte temperature. Fresatura ad ultrasuoni così come la sintesi dal basso verso l'alto (Sono-cristallizzazione) sono a percorsi promettenti per la rapida produzione di massa di nanomateriali termoelettrici.

Apparecchiature di fresatura ad ultrasuoni

Per la riduzione della dimensione delle particelle di tellururo di bismuto (Bi₂Te₃), siliciuro di magnesio (Mg₂Si) e polvere di silicio (Si), il sistema ad ultrasuoni ad alta intensità UIP1000hdT (1kW, 20kHz) è stato usato in un setup a bicchiere aperto. Per tutte le prove l'ampiezza è stata impostata su 140µm. Il contenitore del campione viene raffreddato in un bagno d'acqua, la temperatura è controllata da una termocoppia. A causa della sonicazione in un recipiente aperto, il raffreddamento è stato utilizzato per impedire l'evaporazione delle soluzioni di macinazione (ad es. etanolo, butanolo o acqua).

a) Schema della configurazione sperimentale. b) sorgente di fresatura ad ultrasuoni: Marquez-Garcia et al. 2015.

Fresatura ad ultrasuoni per soli 4 ore di Bi₂Te₃-lega già resa in una notevole quantità di nanoparticelle con dimensioni comprese tra 150 e 400 nm. Oltre alla riduzione delle dimensioni della gamma nano, la sonicazione ha portato anche ad un cambiamento della morfologia superficiale. Le immagini SEM nella figura sotto b, c e d mostrano che gli spigoli vivi delle particelle prima della fresatura ad ultrasuoni sono diventati lisci e rotondi dopo la fresatura ad ultrasuoni.

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

Per determinare se la riduzione delle dimensioni delle particelle e la modifica della superficie sono ottenute unicamente mediante fresatura ad ultrasuoni, esperimenti simili sono stati condotti utilizzando un mulino a sfere ad alta energia. I risultati sono mostrati in Fig. 3. È evidente che le particelle di 200-800 nm sono state prodotte dalla fresatura a sfere per 48 ore (12 volte di più della fresatura ad ultrasuoni). SEM mostra che gli spigoli vivi della Bi₂Te₃-le particelle di lega rimangono sostanzialmente invariate dopo la macinazione. Questi risultati indicano che i bordi lisci sono caratteristiche uniche della fresatura ad ultrasuoni. Anche il risparmio di tempo con la fresatura ad ultrasuoni (4 ore contro 48 ore di fresatura a sfere) è notevole.

Distribuzione granulometrica e immagini SEM di Mg2Si prima e dopo la fresatura ad ultrasuoni. (a) distribuzione granulometrica; (b) immagine al SEM prima della fresatura ad ultrasuoni; (c) immagine al SEM dopo la fresatura ad ultrasuoni in 50% PVP-50% EtOH per 2 ore.
fonte: Marquez-Garcia et al. 2015.

Marquez-Garcia et al. (2015) concludono che la fresatura ad ultrasuoni può degradare la Bi₂Te₃ e Mg₂Si in polvere in particelle più piccole, le cui dimensioni variano da 40 a 400 nm, suggerendo una tecnica potenziale per la produzione industriale di nanoparticelle. Rispetto alla fresatura a sfere ad alta energia, la fresatura ad ultrasuoni ha due caratteristiche uniche:

1. 1. la comparsa di un divario granulometrico che separa le particelle originali da quelle prodotte dalla fresatura ad ultrasuoni; e
2. 2. cambiamenti sostanziali nella morfologia superficiale sono evidenti dopo la fresatura ad ultrasuoni, indicando la possibilità di manipolare le superfici delle particelle.

Conclusione

La fresatura ad ultrasuoni di particelle più dure richiede una sonicazione sotto pressione per generare un'intensa cavitazione. La sonicazione sotto alta pressione (la cosiddetta manosonicazione) aumenta drasticamente le forze di taglio e lo stress alle particelle.
Una configurazione continua di sonicazione in linea consente un carico di particelle più elevato (fanghi pastosi), che migliora i risultati di fresatura in quanto la fresatura ad ultrasuoni si basa sulla collisione tra le particelle.
La sonicazione in una configurazione a ricircolo discreto permette di garantire un trattamento omogeneo di tutte le particelle e quindi una distribuzione granulometrica molto stretta.

Un grande vantaggio della fresatura ad ultrasuoni è che la tecnologia può essere facilmente scalabile per la produzione di grandi quantità disponibili in commercio, mentre la potente fresatura industriale ad ultrasuoni può gestire quantità fino a 10m.³/h.

Vantaggi della fresatura ad ultrasuoni

• Rapido, risparmio di tempo
• Risparmio energetico
• risultati riproducibili
• Nessun supporto di fresatura (senza perle o perle)
• Basso costo di investimento

Ultrasuoni ad alte prestazioni

La fresatura ad ultrasuoni richiede apparecchiature ad ultrasuoni ad alta potenza. Per generare intense forze di taglio cavitazionale, sono cruciali le ampiezze e la pressione elevate. Ultrasuoni Hielscher’ i processori ad ultrasuoni industriali possono fornire ampiezze molto elevate. Ampiezze fino a 200µm possono essere facilmente gestite ininterrottamente in funzionamento 24/7. Per ampiezze ancora maggiori, sono disponibili sonotrodi ad ultrasuoni personalizzati. In combinazione con i reattori a flusso pressurizzabile di Hielscher, si crea una cavitazione molto intensa che consente di superare i legami intermolecolari e di ottenere effetti di fresatura efficienti.
La robustezza delle apparecchiature ad ultrasuoni Hielscher consente un funzionamento 24/7 in ambienti gravosi e impegnativi. Il controllo digitale e remoto e la registrazione automatica dei dati su una scheda SD integrata garantiscono un'elaborazione precisa, una qualità riproducibile e consentono la standardizzazione dei processi.

Vantaggi degli ultrasuoni ad alte prestazioni di Hielscher

• ampiezze molto elevate
• alte pressioni
• processo continuo in linea
• attrezzatura robusta
• scale-up lineare
• sicuro e facile da usare
• Facile da pulire