თერმოელექტრიული ნანოფხვნილების ულტრაბგერითი დაფქვა

• კვლევამ აჩვენა, რომ ულტრაბგერითი დაფქვა შეიძლება წარმატებით იქნას გამოყენებული თერმოელექტრიული ნანონაწილაკების წარმოებისთვის და აქვს პოტენციალი ნაწილაკების ზედაპირების მანიპულირებისთვის.
• ულტრაბგერით დაფქული ნაწილაკები (მაგ. Bi₂Te₃-ზე დაფუძნებული შენადნობი) ზომაში მნიშვნელოვნად შემცირდა და წარმოქმნა 10µm-ზე ნაკლები ზომის ნანონაწილაკები.
• გარდა ამისა, ულტრაბგერითი დამუშავება იწვევს ნაწილაკების ზედაპირის მორფოლოგიის მნიშვნელოვან ცვლილებებს და ამით შესაძლებელს ხდის მიკრო- და ნანონაწილაკების ზედაპირის ფუნქციონალიზაციას.

თერმოელექტრიული ნანონაწილაკები

თერმოელექტრიული მასალები სითბურ ენერგიას გარდაქმნიან ელექტრულ ენერგიად ზებეკისა და პელტიეს ეფექტების საფუძველზე. ამით შესაძლებელი ხდება ძნელად გამოსაყენებელი ან თითქმის დაკარგული სითბური ენერგიის ეფექტურად გამოყენება პროდუქტიული მიზნებისთვის. რადგან თერმოელექტრიული მასალები შეიძლება გამოყენებულ იქნეს ახალ სფეროებში, როგორიცაა ბიოთერმული ბატარეები, მყარსხეულოვანი თერმოელექტრიული გაგრილება, ოპტოელექტრონული მოწყობილობები და ელექტროენერგიის წარმოება კოსმოსურ და საავტომობილო სისტემებში, მკვლევრები და მრეწველობა ეძებენ მარტივ და სწრაფ მეთოდებს ეკოლოგიურად სუფთა, ეკონომიური და მაღალ ტემპერატურაზე სტაბილური თერმოელექტრიული ნანონაწილაკების წარმოებისთვის. ულტრაბგერითი დაფქვა ისევე როგორც სინთეზი მცირე კომპონენტებიდან უფრო დიდი სტრუქტურების აგებით (სონო-კრისტალიზაცია) არის ორი პერსპექტიული გზა თერმოელექტრიული ნანომასალების სწრაფი მასშტაბური წარმოებისთვის.

ულტრაბგერითი დაფქვის აღჭურვილობა

ბისმუტის ტელურიდის (Bi₂Te₃), მაგნიუმის სილიციდის (Mg₂Si) და სილიციუმის (Si) ფხვნილის ნაწილაკების ზომის შემცირებისთვის, მაღალი ინტენსივობის ულტრაბგერითი სისტემა UIP1000hdT (1kW, 20kHz) გამოიყენებოდა ღია ლაბორატორიულ ჭიქაში. ყველა ცდაში ამპლიტუდა დაყენებული იყო 140µm-ზე. ნიმუშის ჭურჭელი წყლის აბაზანაში გრილდება, ტემპერატურა კონტროლდება თერმოწყვილით. ღია ჭურჭელში ულტრაბგერითი დამუშავებისას გაგრილება გამოიყენებოდა დაფქვის ხსნარების (მაგ., ეთანოლის, ბუტანოლის ან წყლის) აორთქლების თავიდან ასაცილებლად.

(a) ექსპერიმენტული სქემის სქემატური დიაგრამა. (b) ულტრაბგერითი დაფქვის აპარატი. წყარო: Marquez-Garcia et al. 2015.

Bi₂Te₃-შენადნობის ულტრაბგერითი დაფქვით მხოლოდ 4h-ის განმავლობაში უკვე მიღებულ იქნა მნიშვნელოვანი რაოდენობის ნანონაწილაკები 150-დან 400 nm-მდე ზომით. ზომის ნანომეტრულ დიაპაზონამდე შემცირების გარდა, ულტრაბგერითმა დამუშავებამ ასევე გამოიწვია ზედაპირის მორფოლოგიის ცვლილება. ქვემოთ მოცემული ფიგურის b, c და d SEM სურათები აჩვენებს, რომ ულტრაბგერითი დაფქვის წინ ნაწილაკების ბასრი კიდეები ულტრაბგერითი დაფქვის შემდეგ გლუვი და მომრგვალებული გახდა.

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

იმის დასადგენად, მიიღწევა თუ არა ნაწილაკების ზომის შემცირება და ზედაპირის მოდიფიკაცია მხოლოდ ულტრაბგერითი დაფქვით, მსგავსი ექსპერიმენტები ჩატარდა მაღალენერგიული ბურთულებიანი წისქვილის გამოყენებით. შედეგები ნაჩვენებია ფიგ. 3-ში. ნათელია, რომ ბურთულებიანი დაფქვით 48 h-ის განმავლობაში მიღებულ იქნა 200–800 nm ზომის ნაწილაკები (ულტრაბგერით დაფქვასთან შედარებით 12-ჯერ უფრო ხანგრძლივ დროში). SEM აჩვენებს, რომ Bi₂Te₃-შენადნობის ნაწილაკების ბასრი კიდეები დაფქვის შემდეგ პრაქტიკულად უცვლელი რჩება. ეს შედეგები მიუთითებს, რომ გლუვი კიდეები ულტრაბგერითი დაფქვის უნიკალური მახასიათებელია. ასევე აღსანიშნავია ულტრაბგერითი დაფქვით დროის დაზოგვა (4 h, ბურთულებიანი დაფქვისთვის საჭირო 48 h-ის ნაცვლად).

Mg2Si-ის ნაწილაკების ზომის განაწილება და SEM სურათები ულტრაბგერით დაფქვამდე და მის შემდეგ. (a) ნაწილაკების ზომის განაწილება; (b) SEM სურათი ულტრაბგერით დაფქვამდე; (c) SEM სურათი 50% PVP–50% EtOH-ში 2 h ულტრაბგერითი დაფქვის შემდეგ.
წყარო: Marquez-Garcia et al. 2015.

Marquez-Garcia et al. (2015) ასკვნიან, რომ ულტრაბგერითი დაფქვით შესაძლებელია დაიშალოს Bi₂Te₃ და Mg₂Si ფხვნილი უფრო მცირე ნაწილაკებად, რომელთა ზომები მერყეობს 40-დან 400 nm-მდე, რაც მიუთითებს ამ მეთოდის პოტენციალზე ნანონაწილაკების სამრეწველო წარმოებისთვის. მაღალენერგიულ ბურთულებიან დაფქვასთან შედარებით, ულტრაბგერით დაფქვას აქვს ორი უნიკალური მახასიათებელი:

1. 1. ნაწილაკების ზომების განაწილებაში შუალედის არსებობა, რომელიც საწყისი ნაწილაკების ზომებს ულტრაბგერითი დაფქვით მიღებული ნაწილაკების ზომებისგან გამოყოფს; და
2. 2. ზედაპირული მორფოლოგიის მნიშვნელოვანი ცვლილებები შესამჩნევია ულტრაბგერითი დაფქვის შემდეგ, რაც მიუთითებს ნაწილაკების ზედაპირების მანიპულირების შესაძლებლობაზე.

დასკვნა

უფრო მაგარი ნაწილაკების ულტრაბგერითი დაფქვა მოითხოვს ულტრაბგერით დამუშავებას წნევის ქვეშ ინტენსიური კავიტაციის შესაქმნელად. ულტრაბგერითი დამუშავება მომატებული წნევის ქვეშ (ე.წ. მანოსონიკაცია) მკვეთრად ზრდის ძვრის ძალებსა და ნაწილაკებზე მოქმედ მექანიკურ დაძაბულობას.
უწყვეტი ინლაინ ულტრაბგერითი დამუშავების სქემა იძლევა ნაწილაკების უფრო მაღალი დატვირთვის გამოყენების საშუალებას (პასტისებრი სუსპენზია), რაც აუმჯობესებს დაფქვის შედეგებს, რადგან ულტრაბგერითი დაფქვა ეფუძნება ნაწილაკების ერთმანეთთან შეჯახებას.
ულტრაბგერითი დამუშავება დისკრეტულ რეცირკულაციის სქემაში საშუალებას იძლევა უზრუნველყოფილი იყოს ყველა ნაწილაკის ერთგვაროვანი დამუშავება და შესაბამისად, ნაწილაკების ზომის ძალიან ვიწრო განაწილება.

ულტრაბგერითი დაფქვის მთავარი უპირატესობა ის არის, რომ ტექნოლოგიის მასშტაბის გაზრდა დიდი რაოდენობების წარმოებისთვის მარტივია – კომერციულად ხელმისაწვდომ მძლავრ სამრეწველო ულტრაბგერით საფქვავ მოწყობილობებს შეუძლია დაამუშაოს მოცულობები 10m³/h-მდე.

ულტრაბგერითი დაფქვის უპირატესობები

• სწრაფი, დროის დამზოგავი
• ენერგიის დამზოგავი
• განმეორებადი შედეგები
• საფქვავი სხეულების გარეშე (ბურთულების ან მძივების გარეშე)
• დაბალი საინვესტიციო ღირებულება

მაღალი წარმადობის ულტრაბგერითი ჰომოგენიზატორები

ულტრაბგერითი დაფქვა მოითხოვს მაღალი სიმძლავრის ულტრაბგერით აღჭურვილობას. ინტენსიური კავიტაციული ძვრის ძალების შესაქმნელად მაღალი ამპლიტუდები და წნევა გადამწყვეტია. Hielscher Ultrasonics-ის სამრეწველო ულტრაბგერით პროცესორებს შეუძლია ძალიან მაღალი ამპლიტუდების უზრუნველყოფა. 200µm-მდე ამპლიტუდით უწყვეტი მუშაობა მარტივად არის შესაძლებელი 24/7 რეჟიმში. უფრო მაღალი ამპლიტუდებისთვის ხელმისაწვდომია სპეციალურად დამზადებული ულტრაბგერითი სონოტროდები. Hielscher-ის წნევის ქვეშ მუშაობის შესაძლებლობის მქონე გამდინარე რეაქტორებთან კომბინაციაში იქმნება ძალიან ინტენსიური კავიტაცია, რის შედეგადაც შესაძლებელია მოლეკულათაშორისი ბმების გაწყვეტა და ეფექტური დაფქვა.
Hielscher-ის ულტრაბგერითი აღჭურვილობის გამძლეობა იძლევა 24/7 რეჟიმში მუშაობის საშუალებას მაღალი დატვირთვისა და რთული გარემო პირობების დროს. ციფრული და დისტანციური მართვა, ასევე ჩაშენებულ SD ბარათზე მონაცემების ავტომატური ჩაწერა უზრუნველყოფს ზუსტ დამუშავებას, განმეორებად ხარისხს და პროცესის სტანდარტიზაციის შესაძლებლობას.

Hielscher მაღალი წარმადობის ულტრაბგერითი ჰომოგენიზატორების უპირატესობები

• ძალიან მაღალი ამპლიტუდები
• მაღალი წნევები
• უწყვეტი ინლაინ პროცესი
• მტკიცე აღჭურვილობა
• წრფივი მასშტაბირება
• უსაფრთხო და მარტივად გამოსაყენებელი
• მარტივად გასაწმენდი