Macinazione a ultrasuoni di nanopolveri termoelettriche

• La ricerca ha dimostrato che la macinazione a ultrasuoni può essere utilizzata con successo per la produzione di nanoparticelle termoelettriche e offre la possibilità di manipolare le superfici delle particelle.
• Le particelle macinate a ultrasuoni (ad es. una lega a base di Bi₂Te₃) hanno mostrato una significativa riduzione delle dimensioni, con la produzione di nanoparticelle di dimensioni inferiori a 10µm.
• Inoltre, la sonicazione produce cambiamenti significativi nella morfologia superficiale delle particelle, consentendo così di funzionalizzare la superficie di micro- e nanoparticelle.

Nanoparticelle termoelettriche

I materiali termoelettrici convertono l’energia termica in energia elettrica sfruttando gli effetti Seebeck e Peltier. Diventa così possibile utilizzare efficacemente, in applicazioni produttive, l’energia termica difficilmente utilizzabile o quasi interamente dispersa. Poiché i materiali termoelettrici possono essere impiegati in nuove applicazioni quali batterie biotermiche, raffreddamento termoelettrico allo stato solido, dispositivi optoelettronici e generazione di energia elettrica in ambito spaziale e automobilistico, la ricerca e l’industria sono alla ricerca di tecniche semplici e rapide per produrre nanoparticelle termoelettriche ecocompatibili, economiche e stabili alle alte temperature. La macinazione a ultrasuoni e la sintesi bottom-up (sonocristallizzazione) sono due approcci promettenti per la rapida produzione in massa di nanomateriali termoelettrici.

Apparecchiature per la macinazione a ultrasuoni

Per la riduzione delle dimensioni delle particelle di polvere di tellururo di bismuto (Bi₂Te₃), siliciuro di magnesio (Mg₂Si) e silicio (Si), è stato utilizzato il sistema a ultrasuoni ad alta intensità UIP1000hdT (1kW, 20kHz) in una configurazione con becher aperto. Per tutte le prove, l’ampiezza è stata impostata a 140µm. Il recipiente del campione viene raffreddato in un bagno d’acqua e la temperatura viene controllata mediante una termocoppia. Poiché la sonicazione avveniva in un recipiente aperto, è stato utilizzato il raffreddamento per impedire l’evaporazione delle soluzioni di macinazione (ad es. etanolo, butanolo o acqua).

(a) Schema della configurazione sperimentale. (b) Apparecchiatura per la macinazione a ultrasuoni. Fonte: Marquez-Garcia et al. 2015.

La macinazione a ultrasuoni per sole 4h della lega Bi₂Te₃ ha già prodotto una quantità considerevole di nanoparticelle con dimensioni comprese tra 150 e 400 nm. Oltre alla riduzione delle dimensioni su scala nanometrica, la sonicazione ha anche determinato un cambiamento della morfologia superficiale. Le immagini SEM b, c e d nella figura sottostante mostrano che gli spigoli vivi delle particelle prima della macinazione a ultrasuoni sono diventati lisci e arrotondati dopo la macinazione a ultrasuoni.

Distribuzione delle dimensioni delle particelle e immagini SEM della lega a base di Bi2Te3 prima e dopo la macinazione a ultrasuoni. a – Distribuzione delle dimensioni delle particelle; 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.

Per determinare se la riduzione delle dimensioni delle particelle e la modifica superficiale si ottengano esclusivamente mediante la macinazione a ultrasuoni, sono stati condotti esperimenti simili utilizzando un mulino a sfere ad alta energia. I risultati sono riportati nella Fig. 3. È evidente che la macinazione a sfere per 48 h (12 volte più a lungo della macinazione a ultrasuoni) ha prodotto particelle di 200–800 nm. Le immagini SEM mostrano che gli spigoli vivi delle particelle della lega Bi₂Te₃ rimangono sostanzialmente invariati dopo la macinazione. Questi risultati indicano che gli spigoli lisci sono una caratteristica esclusiva della macinazione a ultrasuoni. Anche il risparmio di tempo ottenuto con la macinazione a ultrasuoni (4 h rispetto alle 48 h della macinazione a sfere) è notevole.

Distribuzione delle dimensioni delle particelle e immagini SEM di Mg2Si prima e dopo la macinazione a ultrasuoni. (a) Distribuzione delle dimensioni delle particelle; (b) Immagine SEM prima della macinazione a ultrasuoni; (c) Immagine SEM dopo la macinazione a ultrasuoni in 50% PVP–50% EtOH per 2 h.
Fonte: Marquez-Garcia et al. 2015.

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

1. 1. la presenza di un intervallo dimensionale privo di particelle che separa le particelle originali da quelle prodotte dalla macinazione a ultrasuoni; e
2. 2. dopo la macinazione a ultrasuoni sono evidenti cambiamenti sostanziali nella morfologia superficiale, che indicano la possibilità di manipolare le superfici delle particelle.

Conclusione

La macinazione a ultrasuoni di particelle più dure richiede la sonicazione sotto pressione per generare una cavitazione intensa. La sonicazione a pressione elevata (la cosiddetta manosonicazione) aumenta drasticamente le forze di taglio e le sollecitazioni sulle particelle.
Una configurazione di sonicazione continua in linea consente un carico di particelle più elevato (sospensione di consistenza pastosa), migliorando i risultati della macinazione, poiché la macinazione a ultrasuoni si basa sulle collisioni tra particelle.
La sonicazione in una configurazione a ricircolo discontinuo consente di garantire un trattamento omogeneo di tutte le particelle e quindi una distribuzione dimensionale delle particelle molto stretta.

Un vantaggio fondamentale della macinazione a ultrasuoni è che la tecnologia può essere facilmente adattata alla produzione di grandi quantità – le potenti apparecchiature industriali per la macinazione a ultrasuoni disponibili in commercio possono trattare quantità fino a 10m³/h.

Vantaggi della macinazione a ultrasuoni

• Rapida, con risparmio di tempo
• Risparmio energetico
• Risultati riproducibili
• Nessun mezzo di macinazione (nessuna sfera o perlina)
• Bassi costi di investimento

Sonicatori ad alte prestazioni

La macinazione a ultrasuoni richiede apparecchiature a ultrasuoni ad alta potenza. Per generare intense forze di taglio dovute alla cavitazione, sono fondamentali ampiezze e pressioni elevate. I processori a ultrasuoni industriali di Hielscher Ultrasonics possono erogare ampiezze molto elevate. È possibile operare facilmente e in modo continuo con ampiezze fino a 200µm in funzionamento 24/7. Per ampiezze ancora maggiori, sono disponibili sonotrodi a ultrasuoni personalizzati. In combinazione con i reattori di flusso pressurizzabili di Hielscher, si genera una cavitazione molto intensa, che consente di rompere i legami intermolecolari e ottenere una macinazione efficace.
La robustezza delle apparecchiature a ultrasuoni di Hielscher consente il funzionamento 24/7 in condizioni di lavoro gravose e in ambienti impegnativi. Il controllo digitale e da remoto, insieme alla registrazione automatica dei dati su una scheda SD integrata, garantisce un trattamento preciso, una qualità riproducibile e consente la standardizzazione del processo.

Vantaggi dei sonicatori Hielscher ad alte prestazioni

• ampiezze molto elevate
• pressioni elevate
• processo continuo in linea
• apparecchiature robuste
• aumento di scala lineare
• sicuri e facili da usare
• facili da pulire