Ultraschallmuele vun thermoelektreschen Nanopudder

• D’Fuerschung huet gewisen, datt Ultraschallmuele mat Erfolleg fir d’Hierstellung vun thermoelektreschen Nanopartikele ka benotzt ginn an d’Potenzial huet, d’Uewerfläche vun de Partikelen ze manipuléieren.
• Mat Ultraschall gemuele Partikelen (z. B. eng Legierung op Basis vu Bi₂Te₃) hunn eng däitlech Gréisstreduktioun gewisen an Nanopartikele vu manner wéi 10µm ervirbruecht.
• Ausserdeem verursaacht d’Beschallung däitlech Verännerunge vun der Uewerflächemorphologie vun de Partikelen an erméiglecht et doduerch, d’Uewerfläch vu Mikro- an Nanopartikelen ze funktionaliséieren.

Thermoelektresch Nanopartikelen

Thermoelektresch Materialie wandelen Hëtztenergie op Basis vum Seebeck- a Peltier-Effekt an elektresch Energie ëm. Doduerch gëtt et méiglech, thermesch Energie, déi kaum notzbar ass oder bal verluer geet, effektiv a produktiven Uwendungen ze notzen. Well thermoelektresch Materialien an neien Uwendunge wéi biothermesche Batterien, thermoelektrescher Festkierperkillung, optoelektroneschen Apparater, der Raumfaart an der Stroumerzeugung an Autoe kënnen agesat ginn, sichen d’Fuerschung an d’Industrie no einfachen a séieren Technike fir d’Hierstellung vun ëmweltfrëndlechen, ekonomeschen an héichtemperaturstabilen thermoelektreschen Nanopartikelen. Ultraschallmuelen souwéi d’Bottom-up-Synthees (Sonokristalliséierung) sinn zwee villverspriechend Weeër fir déi séier Masseproduktioun vun thermoelektreschen Nanomaterialien.

Ausrüstung fir Ultraschallmuelen

Fir d’Partikelgréisst vu Bismuttellurid (Bi₂Te₃), Magnesiumsilizid (Mg₂Si) a Silizium (Si) a Pudderform ze reduzéieren, gouf den héichintensiven Ultraschallsystem UIP1000hdT (1kW, 20kHz) an engem Opbau mat engem oppene Becherglas agesat. Bei alle Versich gouf d’Amplitud op 140µm agestallt. D’Prouwegefääss gëtt an engem Waasserbad gekillt, an d’Temperatur gëtt mat engem Thermoelement gereegelt. Wéinst der Beschallung an engem oppene Gefääss gouf eng Killung agesat, fir d’Verdonste vun de Muelléisungen (z. B. Ethanol, Butanol oder Waasser) ze verhënneren.

(a) Schematesch Duerstellung vum Versuchsopbau. (b) Apparat fir Ultraschallmuelen. Quell: Marquez-Garcia et al. 2015.

Ultraschallmuele fir nëmme 4h huet bei enger Bi₂Te₃-Legierung schonn eng beträchtlech Quantitéit un Nanopartikele mat Gréissten tëscht 150 a 400 nm erginn. Nieft der Gréisstreduktioun bis an den Nanoberäich huet d’Beschallung och zu enger Verännerung vun der Uewerflächemorphologie gefouert. D’SEM-Biller b, c an d an der Ofbildung hei drënner weisen, datt déi schaarf Kante vun de Partikele virum Ultraschallmuelen nom Ultraschallmuele glat a ronn gi sinn.

Partikelgréissteverdeelung a SEM-Biller vun enger Legierung op Basis vu Bi2Te3 virum an nom Ultraschallmuelen. a – Partikelgréissteverdeelung; b – SEM-Bild virum Ultraschallmuelen; c – SEM-Bild no 4 h Ultraschallmuelen; d – SEM-Bild no 8 h Ultraschallmuelen.
Quell: Marquez-Garcia et al. 2015.

Fir festzestellen, ob d’Reduktioun vun der Partikelgréisst an d’Modifikatioun vun der Uewerfläch ausschliisslech duerch Ultraschallmuelen erreecht ginn, goufen änlech Versich mat enger Héichenergiekugelmillen duerchgefouert. D’Resultater ginn an der Abb. 3 gewisen. Et ass ze erkennen, datt duerch 48 h Kugelmuelen (12-mol méi laang wéi Ultraschallmuelen) Partikele vun 200–800 nm produzéiert goufen. SEM weist, datt déi schaarf Kante vun de Partikele vun der Bi₂Te₃-Legierung nom Muelen am Wesentlechen onverännert bleiwen. Dës Resultater weisen drop hin, datt déi glat Kanten eenzegaarteg Charakteristike vum Ultraschallmuele sinn. D’Zäiterspuernis duerch Ultraschallmuelen (4 h géintiwwer 48 h Kugelmuelen) ass och bemierkenswäert.

Partikelgréissteverdeelung a SEM-Biller vu Mg2Si virum an nom Ultraschallmuelen. (a) Partikelgréissteverdeelung; (b) SEM-Bild virum Ultraschallmuelen; (c) SEM-Bild no 2 h Ultraschallmuelen a 50% PVP–50% EtOH.
Quell: Marquez-Garcia et al. 2015.

Marquez-Garcia et al. (2015) kommen zur Schlussfolgerung, datt Ultraschallmuelen Bi₂Te₃ a Mg₂Si a Pudderform a méi kleng Partikele mat Gréisste vu 40 bis 400 nm zerklengere kann, wat op eng potenziell Technik fir d’industriell Produktioun vun Nanopartikelen hiweist. Am Verglach mam Héichenergiekugelmuelen huet Ultraschallmuelen zwou eenzegaarteg Charakteristiken:

1. 1. d’Optriede vun enger Lück an de Partikelgréissten, déi d’ursprénglech Partikele vun deenen trennt, déi duerch Ultraschallmuele produzéiert goufen; an
2. 2. beträchtlech Verännerunge vun der Uewerflächemorphologie sinn nom Ultraschallmuelen ze erkennen, wat op d’Méiglechkeet hiweist, d’Uewerfläche vun de Partikelen ze manipuléieren.

Schlussfolgerung

Ultraschallmuele vu méi haarde Partikelen erfuerdert Beschallung ënner Drock, fir eng intensiv Kavitatioun ze erzeugen. Beschallung ënner erhéichtem Drock (sougenannt Manosonikatioun) erhéicht d’Schéierkräften an d’Belaaschtung vun de Partikelen drastesch.
E kontinuéierlechen Inline-Beschallungsopbau erméiglecht eng méi héich Partikelbelaaschtung (eng pasteaarteg Suspensioun), wat d’Muelresultater verbessert, well Ultraschallmuelen op Kollisiounen tëscht de Partikele baséiert.
Beschallung an engem diskrete Rezirkulatiounsopbau erméiglecht et, eng homogen Behandlung vun alle Partikelen an domat eng ganz enk Partikelgréissteverdeelung ze garantéieren.

E grousse Virdeel vum Ultraschallmuelen ass, datt d’Technologie ouni Weideres fir d’Produktioun vu grousse Quantitéite skaléiert ka ginn – kommerziell verfügbar, leeschtungsstaark industriell Ultraschallmuelanlagen kënne Quantitéite vu bis zu 10m³/h verschaffen.

Virdeeler vum Ultraschallmuelen

• Séier, zäitspuerend
• Energiespuerend
• Reproduzéierbar Resultater
• Keng Muelkierper (keng Kugelen oder Pärelen)
• Niddreg Investitiounskäschten

Héichleeschtungsultraschallapparater

Ultraschallmuelen erfuerdert Ultraschallausrüstung mat héijer Leeschtung. Fir intensiv kavitatiounsbedéngt Schéierkräften ze erzeugen, sinn héich Amplituden an Drock entscheedend. Déi industriell Ultraschallprozessore vun Hielscher Ultrasonics kënne ganz héich Amplitude liwweren. Amplitude vu bis zu 200µm kënne problemlos kontinuéierlech am 24/7-Betrib agesat ginn. Fir nach méi héich Amplitude si personaliséiert Ultraschallsonotroden disponibel. A Kombinatioun mat den Duerchflussreaktere vun Hielscher, déi ënner Drock gesat kënne ginn, gëtt eng ganz intensiv Kavitatioun erzeugt, sou datt intermolekular Bindungen iwwerwonne kënne ginn an effizient Mueleffekter erreecht ginn.
D’Robustheet vun der Ultraschallausrüstung vun Hielscher erméiglecht en 24/7-Betrib ënner héijer Belaaschtung an an usprochsvollen Ëmfeld. Digital Steierung a Fernsteierung souwéi automatesch Datenopzeechnung op enger agebauter SD-Kaart garantéieren eng präzis Veraarbechtung an eng reproduzéierbar Qualitéit an erméiglechen d’Prozessstandardiséierung.

Virdeeler vun den Héichleeschtungsultraschallapparater vun Hielscher

• ganz héich Amplituden
• héich Drécker
• kontinuéierlechen Inline-Prozess
• robust Ausrüstung
• linear Skaléierung
• sécher an einfach ze bedéngen
• einfach ze botzen