熱電ナノ粉末の超音波粉砕

• 研究により、超音波粉砕は熱電ナノ粒子の製造に有効に利用でき、粒子表面を操作できる可能性があることが示されています。
• 超音波粉砕された粒子（例えばBi₂Te₃を主成分とする合金）では大幅な粒径の縮小が見られ、10µm未満のナノ粒子が生成されました。
• さらに、超音波処理は粒子の表面形態に大きな変化をもたらし、それによってマイクロ粒子およびナノ粒子の表面を機能化できるようになります。

熱電ナノ粒子

熱電材料は、ゼーベック効果とペルチェ効果に基づいて熱エネルギーを電気エネルギーに変換します。これにより、利用が難しい熱エネルギーやほとんど失われてしまう熱エネルギーを、生産的な用途に有効に活用できるようになります。熱電材料は、生体熱電池、固体熱電冷却、光電子デバイス、宇宙での発電、自動車での発電などの新しい用途に組み込むことができるため、研究分野および産業界では、環境に優しく、経済的で、高温でも安定した熱電ナノ粒子を簡便かつ迅速に製造する技術が求められています。 超音波粉砕 およびボトムアップ合成（超音波結晶化）は、熱電ナノ材料を迅速に大量生産するための二つの有望な手法です。

超音波粉砕装置

テルル化ビスマス（Bi₂Te₃）、ケイ化マグネシウム（Mg₂Si）およびケイ素（Si）の粉末の粒径を縮小するため、高強度超音波システム UIP1000hdT （1kW、20kHz）を開放型ビーカーの実験構成で使用しました。すべての試験で振幅を140µmに設定しました。サンプル容器は水浴で冷却し、温度は熱電対で制御します。開放容器内で超音波処理を行うため、粉砕液（例えばエタノール、ブタノール、水）の蒸発を防ぐために冷却を行いました。

（a）実験構成の模式図。（b）超音波粉砕装置。出典：Marquez-Garcia et al. 2015.

わずか4hの超音波粉砕で、Bi₂Te₃合金から、すでに150–400 nmの大きさのナノ粒子が相当量得られました。ナノ領域への粒径の縮小に加え、超音波処理は表面形態の変化ももたらしました。下図のb、c、dのSEM画像は、超音波粉砕前の粒子の鋭い縁が、超音波粉砕後には滑らかで丸みを帯びた形状になったことを示しています。

超音波粉砕前後のBi2Te3を主成分とする合金の粒径分布とSEM画像。a – 粒径分布；b – 超音波粉砕前のSEM画像；c – 4 hの超音波粉砕後のSEM画像；d – 8 hの超音波粉砕後のSEM画像。
出典：Marquez-Garcia et al. 2015.

粒径の縮小と表面改質が超音波粉砕に特有の作用であるかどうかを確認するため、高エネルギーボールミルを用いて同様の実験を行いました。結果を図3に示します。48 h（超音波粉砕の12倍の時間）のボールミル粉砕によって、200–800 nmの粒子が生成されたことが明らかです。SEM画像は、Bi₂Te₃合金粒子の鋭い縁が、粉砕後も本質的には変化していないことを示しています。これらの結果は、滑らかな縁が超音波粉砕に特有の特徴であることを示しています。超音波粉砕による時間短縮（超音波粉砕4 hに対してボールミル粉砕48 h）も顕著です。

超音波粉砕前後のMg2Siの粒径分布とSEM画像。（a）粒径分布；（b）超音波粉砕前のSEM画像；（c）50% PVP–50% EtOH中で2 hの超音波粉砕を行った後のSEM画像。
出典：Marquez-Garcia et al. 2015.

Marquez-Garcia et al. (2015)は、超音波粉砕によってBi₂Te₃ およびMg₂Siの粉末を40–400 nmのより小さな粒子に粉砕できると結論づけており、ナノ粒子の工業生産に利用できる技術の可能性を示唆しています。高エネルギーボールミル粉砕と比較して、超音波粉砕には二つの固有の特徴があります。

1. 1. 元の粒子と超音波粉砕によって生成された粒子を隔てる粒径の間隙が生じること。
2. 2. 超音波粉砕後に表面形態の大幅な変化が明らかに見られ、粒子表面を操作できる可能性が示されること。

結論

より硬い粒子の超音波粉砕では、強力なキャビテーションを発生させるために、加圧下での超音波処理が必要です。高圧下での超音波処理（いわゆるマノソニケーション）は、粒子に作用するせん断力と応力を大幅に増加させます。
連続インライン超音波処理の構成では、粒子負荷を高めることができます（ペースト状のスラリー）。超音波粉砕は粒子間の衝突に基づくため、これによって粉砕結果が改善されます。
独立した再循環構成で超音波処理を行うことで、すべての粒子の均一な処理を確保でき、その結果、非常に狭い粒径分布が得られます。

超音波粉砕の大きな利点は、大量生産に向けて容易にスケールアップできることです – 市販の強力な工業用超音波粉砕装置は、最大10m³/hの量を処理できます。

超音波粉砕の利点

• 迅速で時間を節約
• 省エネルギー
• 再現性のある結果
• 粉砕媒体が不要（ビーズやパールが不要）
• 低い初期投資コスト

高性能超音波処理装置

超音波粉砕には、高出力の超音波装置が必要です。キャビテーションによる強力なせん断力を発生させるには、高い振幅と圧力が不可欠です。Hielscher Ultrasonicsの工業用超音波処理装置は、非常に高い振幅を実現できます。最大200µmの振幅で、24時間・週7日の連続運転を容易に行うことができます。さらに高い振幅に対応するため、カスタム仕様の超音波ソノトロードも用意されています。Hielscherの加圧可能なフローリアクターと組み合わせることで、非常に強力なキャビテーションが発生し、分子間結合を打ち破り、効率的な粉砕効果を得ることができます。
Hielscherの超音波装置は堅牢であるため、高負荷かつ厳しい環境でも24時間・週7日の運転が可能です。デジタル制御と遠隔制御、さらに内蔵SDカードへの自動データ記録によって、精密な処理と再現性のある品質を確保し、プロセスの標準化を可能にします。

Hielscher高性能超音波処理装置の利点

• 非常に高い振幅
• 高圧
• 連続インラインプロセス
• 堅牢な装置
• 線形スケールアップ
• 安全で操作が容易
• 洗浄が容易