სონოფრაგმენტაცია – მაღალი სიმძლავრის ულტრაბგერის ზემოქმედება ნაწილაკების დაშლაზე

სონოფრაგმენტაცია აღწერს ნაწილაკების დაშლას ნანოზომის ფრაგმენტებად მაღალი სიმძლავრის ულტრაბგერის მეშვეობით. გავრცელებული ულტრაბგერითი დეაგლომერაციისა და დაფქვისგან განსხვავებით – როდესაც ნაწილაკები ძირითადად ნაწილაკთაშორისი შეჯახებებით იფქვება და განცალკევდება – სონოფრაგმენტაცია ნაწილაკსა და დარტყმით ტალღას შორის პირდაპირი ურთიერთქმედებით გამოირჩევა. მაღალი სიმძლავრის/დაბალი სიხშირის ულტრაბგერა სითხეებში ქმნის კავიტაციას და, შესაბამისად, ინტენსიურ ძვრის ძალებს. კავიტაციური ბუშტების კოლაფსისა და ნაწილაკთაშორისი შეჯახებების ექსტრემალურ პირობებში ნაწილაკები ძალიან წვრილ მასალად იფქვება.

ნანონაწილაკების ულტრაბგერითი წარმოება და მომზადება

მაღალი სიმძლავრის ულტრაბგერის ეფექტები ნანომასალების წარმოებაში კარგადაა ცნობილი: დისპერგირება, დეაგლომერაცია, დაფქვა და დაქუცმაცება, ისევე როგორც ულტრაბგერითი ფრაგმენტაცია, ხშირად ერთადერთი ეფექტური მეთოდია ნანონაწილაკებისდამუშავებისთვის. ეს განსაკუთრებით მართებულია ძალიან წვრილი, სპეციფიკური ფუნქციონალობის მქონე ნანომასალებისთვის, რადგან ნანოზომის ნაწილაკებში უნიკალური მახასიათებლები ვლინდება. სპეციფიკური ფუნქციონალობის მქონე ნანომასალის შესაქმნელად უზრუნველყოფილი უნდა იყოს თანაბარი და საიმედო ულტრაბგერითი დამუშავების პროცესი. Hielscher აწვდის ულტრაბგერით დანადგარებს ლაბორატორიული მასშტაბიდან სრულმასშტაბიან კომერციულ წარმოებამდე.

სონოფრაგმენტაცია კავიტაციის გზით

სითხეებში მძლავრი ულტრაბგერითი ზემოქმედება ქმნის ექსტრემალურ პირობებს. როდესაც ულტრაბგერა თხევად გარემოში ვრცელდება, ულტრაბგერითი ტალღები იწვევს შეკუმშვისა და გაიშვიათების მონაცვლე ციკლებს (მაღალი და დაბალი წნევის ციკლებს). დაბალი წნევის ციკლების დროს სითხეში წარმოიქმნება მცირე ვაკუუმური ბუშტები. ეს კავიტაციური ბუშტები იზრდება რამდენიმე დაბალი წნევის ციკლის განმავლობაში, სანამ არ მიაღწევენ ისეთ ზომას, როდესაც ვერ შეძლებენ მეტი ენერგიის შთანთქმას. მაქსიმალური შთანთქმული ენერგიისა და ბუშტის ზომის ამ მდგომარეობაში, კავიტაციური ბუშტი ძალადობრივად იშლება და ადგილობრივად ქმნის ექსტრემალურ პირობებს. კავიტაციური ბუშტების იმპლოზიის გამო, ადგილობრივად მიიღწევა ძალიან მაღალი ტემპერატურა დაახლოებით 5000K და წნევა დაახლოებით 2000atm. იმპლოზია იწვევს სითხის ჯგუფებს მაქსიმუმ 280m/s (≈1000km/h) სიჩქარით. სონოფრაგმენტაცია აღწერს ამ ინტენსიური ძალების გამოყენებას ნაწილაკების დასაშლელად უფრო მცირე ზომებში სუბმიკრონულ და ნანო დიაპაზონში. მიმდინარე ულტრაბგერითი დამუშავებისას, ნაწილაკის ფორმა იცვლება კუთხურიდან სფერულით, რაც ნაწილაკებს უფრო ღირებულს ხდის. სონოფრაგმენტაციის შედეგები გამოიხატება ფრაგმენტაციის სიჩქარით, რომელიც აღიწერება როგორც ფუნქცია სიმძლავრის შეყვანის, ულტრაბგერითი დამუშავების მოცულობისა და აგლომერატების ზომის. კავიტაციური ბუშტების იმპლოზიის გამო ადგილობრივად მიიღწევა ძალიან მაღალი ტემპერატურა, დაახლოებით 5000K, და წნევა, დაახლოებით 2000atm. იმპლოზია წარმოქმნის სითხის ჭავლებს, რომელთა სიჩქარე 280m/s (≈1000km/h)-მდე აღწევს. სონოფრაგმენტაცია აღწერს ამ ინტენსიური ძალების გამოყენებას ნაწილაკების უფრო მცირე ზომის ფრაგმენტებად დასაშლელად სუბმიკრონულ და ნანო დიაპაზონში. ულტრაბგერითი დამუშავების მიმდინარეობისას ნაწილაკის ფორმა კუთხოვანიდან სფერულად იცვლება, რაც ნაწილაკებს უფრო ღირებულს ხდის. სონოფრაგმენტაციის შედეგები გამოიხატება ფრაგმენტაციის სიჩქარით, რომელიც მიწოდებული სიმძლავრის, ულტრაბგერით დამუშავებული მოცულობისა და აგლომერატების ზომის ფუნქციად აღიწერება.
Kusters et al. (1994) შეისწავლეს აგლომერატების ულტრაბგერითი ფრაგმენტაცია ენერგომოხმარებასთან მიმართებით. მკვლევართა შედეგები „მიუთითებს, რომ ულტრაბგერითი დისპერგირების მეთოდი შეიძლება ისეთივე ეფექტური იყოს, როგორც დაფქვის ტრადიციული მეთოდები. ულტრაბგერითი დისპერგირების სამრეწველო პრაქტიკამ (მაგ., უფრო დიდმა ზონდებმა, სუსპენზიის უწყვეტმა ნაკადმა) შეიძლება გარკვეულწილად შეცვალოს ეს შედეგები, მაგრამ, მთლიანობაში, მოსალოდნელია, რომ დაქუცმაცების ამ მეთოდის შერჩევის მიზეზი არა კუთრი ენერგომოხმარება, არამედ უკიდურესად წვრილი (სუბმიკრონული) ნაწილაკების მიღების შესაძლებლობაა.“ [Kusters et al. 1994] განსაკუთრებით აბრაზიული ფხვნილებისთვის, როგორიცაა სილიკა ან ზირკონია, აღმოჩნდა, რომ ფხვნილის ერთეულ მასაზე საჭირო კუთრი ენერგია ულტრაბგერითი დაფქვისას უფრო დაბალია, ვიდრე დაფქვის ტრადიციული მეთოდების გამოყენებისას. ულტრაბგერითი დამუშავება ნაწილაკებზე ზემოქმედებს არა მხოლოდ დაფქვითა და დაქუცმაცებით, არამედ მყარი სხეულების გაპრიალებითაც. ამ გზით შესაძლებელია ნაწილაკების მაღალი სფერულობის მიღწევა.

სონოფრაგმენტაცია ნანომასალების კრისტალიზაციისთვის

„მიუხედავად იმისა, რომ თითქმის ეჭვგარეშეა ნაწილაკთაშორისი შეჯახებების არსებობა ულტრაბგერით დასხივებულ მოლეკულური კრისტალების სუსპენზიებში, ისინი ფრაგმენტაციის მთავარი წყარო არ არის. მოლეკულური კრისტალებისგან განსხვავებით, ლითონის ნაწილაკები უშუალოდ დარტყმითი ტალღებით არ ზიანდება და მათზე ზემოქმედება მხოლოდ უფრო ინტენსიურ (მაგრამ გაცილებით იშვიათ) ნაწილაკთაშორის შეჯახებებს შეუძლია. ლითონის ფხვნილებისა და ასპირინის სუსპენზიების ულტრაბგერითი დამუშავებისას დომინანტური მექანიზმების ცვლილება ხაზს უსვამს განსხვავებებს ჭედადი ლითონის ნაწილაკებისა და ფხვიერი მოლეკულური კრისტალების თვისებებს შორის.“ [Zeiger/ Suslick 2011, 14532]

ასპირინის ნაწილაკების სონოფრაგმენტაცია [Zeiger/ Suslick 2011]

Gopi et al. (2008) შეისწავლეს სონოფრაგმენტაციის გამოყენებით მაღალი სიწმინდის ალუმინის ოქსიდის სუბმიკრომეტრული კერამიკული ნაწილაკების (ძირითადად 100 nm-ზე ნაკლები ზომის) მიღება მიკრომეტრული ზომის საწყისი მასალისგან (მაგ., 70-80 μm). მათ სონოფრაგმენტაციის შედეგად ალუმინის ოქსიდის კერამიკული ნაწილაკების ფერისა და ფორმის მნიშვნელოვანი ცვლილება დააფიქსირეს. მიკრონული, სუბმიკრონული და ნანოზომის ნაწილაკები ადვილად მიიღება მაღალი სიმძლავრის ულტრაბგერითი დამუშავებით. აკუსტიკურ ველში დაყოვნების დროის ზრდასთან ერთად ნაწილაკების სფერულობა იზრდებოდა.

დისპერსია სურფაქტანტში

ნაწილაკების ეფექტური ულტრაბგერითი დაშლის გამო სურფაქტანტების გამოყენება აუცილებელია მიღებული სუბმიკრონული და ნანოზომის ნაწილაკების დეაგლომერაციის თავიდან ასაცილებლად. რაც უფრო მცირეა ნაწილაკის ზომა, მით უფრო მაღალია ზედაპირის ფართობის შეფარდება; ეს ზედაპირი სურფაქტანტით უნდა დაიფაროს, რათა ნაწილაკები სუსპენზიაში შენარჩუნდეს და მათი კოაგულაცია (აგლომერაცია) თავიდან იქნეს აცილებული. ულტრაბგერითი დამუშავების უპირატესობა დისპერგირების ეფექტში მდგომარეობს: დაფქვისა და ფრაგმენტაციის პარალელურად ულტრაბგერა დაფქვილი ნაწილაკების ფრაგმენტებს სურფაქტანტთან ერთად დისპერგირებს, რის შედეგადაც ნანონაწილაკების აგლომერაცია (თითქმის) სრულად არის თავიდან აცილებული.

სამრეწველო წარმოება

ბაზრისთვის განსაკუთრებული ფუნქციონალობის მქონე მაღალი ხარისხის ნანომასალის მისაწოდებლად საჭიროა საიმედო დამუშავების დანადგარები. ულტრაბგერითი აპარატები, რომელთა სიმძლავრე თითოეულზე 16kW-მდეა და რომელთა ჯგუფებად გაერთიანებაც შესაძლებელია, პრაქტიკულად შეუზღუდავი მოცულობითი ნაკადების დამუშავების საშუალებას იძლევა. ულტრაბგერითი პროცესების სრულად წრფივი მასშტაბირებადობის გამო მათი გამოყენება შეიძლება რისკის გარეშე გამოიცადოს ლაბორატორიაში, ოპტიმიზდეს ლაბორატორიულ მაგიდაზე განთავსებული დანადგარის მასშტაბზე და შემდეგ უპრობლემოდ დაინერგოს საწარმოო ხაზში. ვინაიდან ულტრაბგერითი დანადგარი დიდ სივრცეს არ საჭიროებს, მისი ინტეგრირება არსებულ ტექნოლოგიურ პროცესებშიც შესაძლებელია. ექსპლუატაცია მარტივია, ხოლო მონიტორინგი და მართვა დისტანციურად არის შესაძლებელი. ულტრაბგერითი სისტემის ტექნიკური მომსახურების საჭიროება თითქმის უმნიშვნელოა.

Bi2Te3-ზე დაფუძნებული შენადნობის ნაწილაკების ზომის განაწილება და SEM გამოსახულებები ულტრაბგერით დაფქვამდე და შემდეგ. a – ნაწილაკების ზომის განაწილება; b – SEM გამოსახულება ულტრაბგერით დაფქვამდე; c – SEM გამოსახულება 4 h ულტრაბგერითი დაფქვის შემდეგ; d – SEM გამოსახულება 8 h ულტრაბგერითი დაფქვის შემდეგ.
წყარო: Marquez-Garcia et al. 2015.

ლიტერატურა / რეფერენციები

• 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.