Termoelektrisko nanopulveru malšana ar ultraskaņu

• Pētījumi liecina, ka malšanu ar ultraskaņu var veiksmīgi izmantot termoelektrisko nanodaļiņu izgatavošanai un ka tai ir potenciāls daļiņu virsmu modificēšanā.
• Ar ultraskaņu maltām daļiņām (piem., uz Bi₂Te₃ bāzes veidotam sakausējumam) novēroja ievērojamu izmēra samazinājumu, un tika iegūtas nanodaļiņas, kuru izmērs ir mazāks par 10µm.
• Turklāt apstrāde ar ultraskaņu būtiski maina daļiņu virsmas morfoloģiju, tādējādi ļaujot funkcionalizēt mikrodaļiņu un nanodaļiņu virsmu.

Termoelektriskās nanodaļiņas

Termoelektriskie materiāli pārvērš siltumenerģiju elektroenerģijā, izmantojot Zēbeka un Peltjē efektu. Tādējādi kļūst iespējams grūti izmantojamu vai gandrīz zudumā ejošu siltumenerģiju efektīvi izmantot lietderīgiem mērķiem. Tā kā termoelektriskos materiālus var izmantot jaunos lietojumos, piemēram, biotermiskajās baterijās, cietvielu termoelektriskajā dzesēšanā, optoelektroniskajās ierīcēs, elektroenerģijas ražošanā kosmosā un automobiļos, pētniecībā un rūpniecībā tiek meklētas vienkāršas un ātras metodes videi draudzīgu, ekonomisku un augstā temperatūrā stabilu termoelektrisko nanodaļiņu ražošanai. Malšana ar ultraskaņu kā arī augšupējā sintēze (kristalizācija ar ultraskaņu) ir divi daudzsološi ceļi uz ātru termoelektrisko nanomateriālu masveida ražošanu.

Iekārtas malšanai ar ultraskaņu

Bismuta telurīda (Bi₂Te₃), magnija silicīda (Mg₂Si) un silīcija (Si) pulvera daļiņu izmēra samazināšanai augstas intensitātes ultraskaņas sistēma UIP1000hdT (1kW, 20kHz) tika izmantota iekārtā ar atvērtu vārglāzi. Visos izmēģinājumos amplitūda tika iestatīta uz 140µm. Parauga trauku dzesē ūdens vannā, un temperatūru kontrolē ar termopāri. Tā kā apstrāde ar ultraskaņu notika atvērtā traukā, tika izmantota dzesēšana, lai novērstu malšanas šķīdumu (piem., etanola, butanola vai ūdens) iztvaikošanu.

(a) Eksperimentālās iekārtas shematisks attēls. (b) Ultraskaņas malšanas aparāts. Avots: Marquez-Garcia et al. 2015.

Tikai 4h ilga Bi₂Te₃-sakausējuma malšana ar ultraskaņu jau ļāva iegūt ievērojamu daudzumu nanodaļiņu ar izmēru no 150 līdz 400 nm. Papildus izmēra samazinājumam līdz nanomērogam apstrāde ar ultraskaņu izraisīja arī virsmas morfoloģijas izmaiņas. Zemāk redzamā attēla b, c un d daļā sniegtie SEM attēli parāda, ka daļiņu asās malas, kādas tās bija pirms malšanas ar ultraskaņu, pēc malšanas ar ultraskaņu ir kļuvušas gludas un noapaļotas.

Uz Bi2Te3 bāzes veidota sakausējuma daļiņu izmēru sadalījums un SEM attēli pirms un pēc malšanas ar ultraskaņu. a – daļiņu izmēru sadalījums; b – SEM attēls pirms malšanas ar ultraskaņu; c – SEM attēls pēc 4 h ilgas malšanas ar ultraskaņu; d – SEM attēls pēc 8 h ilgas malšanas ar ultraskaņu.
Avots: Marquez-Garcia et al. 2015.

Lai noteiktu, vai daļiņu izmēra samazinājums un virsmas modificēšana tiek panākta tikai ar malšanu ar ultraskaņu, tika veikti līdzīgi eksperimenti, izmantojot augstas enerģijas lodīšu dzirnavas. Rezultāti ir parādīti 3. attēlā. Ir redzams, ka 200–800 nm daļiņas tika iegūtas, maļot lodīšu dzirnavās 48 h (12 reizes ilgāk nekā ar ultraskaņu). SEM attēli rāda, ka Bi₂Te₃-sakausējuma daļiņu asās malas pēc malšanas būtībā paliek nemainīgas. Šie rezultāti liecina, ka gludās malas ir unikāla malšanas ar ultraskaņu īpašība. Ievērojams ir arī laika ietaupījums, ko nodrošina malšana ar ultraskaņu (4 h salīdzinājumā ar 48 h malšanu lodīšu dzirnavās).

Mg2Si daļiņu izmēru sadalījums un SEM attēli pirms un pēc malšanas ar ultraskaņu. (a) Daļiņu izmēru sadalījums; (b) SEM attēls pirms malšanas ar ultraskaņu; (c) SEM attēls pēc 2 h ilgas malšanas ar ultraskaņu 50% PVP–50% EtOH maisījumā.
Avots: Marquez-Garcia et al. 2015.

Marquez-Garcia et al. (2015) secina, ka malšana ar ultraskaņu var sasmalcināt Bi₂Te₃ un Mg₂Si pulveri mazākās daļiņās, kuru izmērs ir no 40 līdz 400 nm, tādējādi norādot uz potenciālu metodi nanodaļiņu rūpnieciskai ražošanai. Salīdzinājumā ar malšanu augstas enerģijas lodīšu dzirnavās malšanai ar ultraskaņu ir divas unikālas īpašības:

1. 1. daļiņu izmēru sadalījumā rodas pārtraukums, kas atdala sākotnējās daļiņas no tām, kuras iegūtas, maļot ar ultraskaņu; un
2. 2. pēc malšanas ar ultraskaņu ir redzamas būtiskas virsmas morfoloģijas izmaiņas, kas norāda uz iespēju modificēt daļiņu virsmas.

Secinājums

Cietāku daļiņu malšanai ar ultraskaņu nepieciešama apstrāde ar ultraskaņu zem spiediena, lai radītu intensīvu kavitāciju. Apstrāde ar ultraskaņu paaugstinātā spiedienā (tā dēvētā manosonikācija) krasi palielina bīdes spēkus un daļiņām radīto mehānisko spriegumu.
Nepārtrauktas apstrādes ar ultraskaņu iekārta plūsmā ļauj izmantot lielāku daļiņu koncentrāciju (pastveida suspensiju), kas uzlabo malšanas rezultātus, jo malšana ar ultraskaņu balstās uz daļiņu savstarpējām sadursmēm.
Apstrāde ar ultraskaņu atsevišķā recirkulācijas iekārtā ļauj nodrošināt visu daļiņu viendabīgu apstrādi un līdz ar to ļoti šauru daļiņu izmēru sadalījumu.

Būtiska malšanas ar ultraskaņu priekšrocība ir tā, ka šo tehnoloģiju var viegli mērogot lielu daudzumu ražošanai – komerciāli pieejamās jaudīgās rūpnieciskās ultraskaņas malšanas iekārtas spēj apstrādāt līdz 10m³/h.

Malšanas ar ultraskaņu priekšrocības

• Ātra, ietaupa laiku
• Ietaupa enerģiju
• Reproducējami rezultāti
• Nav nepieciešami malšanas ķermeņi (lodītes vai pērlītes)
• Zemas ieguldījumu izmaksas

Augstas veiktspējas ultraskaņas ierīces

Malšanai ar ultraskaņu nepieciešamas lieljaudas ultraskaņas iekārtas. Lai radītu intensīvus kavitācijas izraisītus bīdes spēkus, izšķiroša nozīme ir lielai amplitūdai un spiedienam. Hielscher Ultrasonics rūpnieciskie ultraskaņas procesori spēj nodrošināt ļoti lielas amplitūdas. Amplitūdas līdz 200µm var viegli uzturēt nepārtrauktā darbībā 24/7 režīmā. Vēl lielākām amplitūdām ir pieejamas individuāli pielāgotas ultraskaņas sonotrodes. Kombinācijā ar Hielscher plūsmas reaktoriem, kuros var paaugstināt spiedienu, tiek radīta ļoti intensīva kavitācija, kas ļauj pārraut starpmolekulārās saites un panākt efektīvu malšanu.
Hielscher ultraskaņas iekārtu izturīgā konstrukcija ļauj tās darbināt 24/7 režīmā ar lielu slodzi un sarežģītos vides apstākļos. Digitālā un attālinātā vadība, kā arī automātiska datu ierakstīšana iebūvētā SD kartē nodrošina precīzu apstrādi, reproducējamu kvalitāti un ļauj standartizēt procesu.

Hielscher augstas veiktspējas ultraskaņas ierīču priekšrocības

• ļoti lielas amplitūdas
• augsts spiediens
• nepārtraukts process plūsmā
• izturīgas iekārtas
• lineāra mērogošana
• droša un vienkārša lietošana
• viegla tīrīšana