Ultrazvukové mletie termoelektrických nanopráškov

• Výskum ukázal, že ultrazvukové mletie možno úspešne použiť na výrobu termoelektrických nanočastíc a má potenciál upravovať povrchy častíc.
• Ultrazvukom mleté častice (napr. zliatina na báze Bi₂Te₃) vykazovali výrazné zmenšenie veľkosti a vznikali nanočastice menšie ako 10µm.
• Sonikácia navyše spôsobuje výrazné zmeny morfológie povrchu častíc, a tým umožňuje funkcionalizáciu povrchu mikročastíc a nanočastíc.

Termoelektrické nanočastice

Termoelektrické materiály premieňajú tepelnú energiu na elektrickú energiu na základe Seebeckovho a Peltierovho javu. Tým sa otvára možnosť efektívne využiť ťažko využiteľnú alebo takmer stratenú tepelnú energiu v produktívnych aplikáciách. Keďže termoelektrické materiály možno začleniť do nových aplikácií, ako sú biotermálne batérie, termoelektrické chladenie v tuhej fáze, optoelektronické zariadenia či výroba elektrickej energie v kozmickej a automobilovej technike, výskum a priemysel hľadajú jednoduché a rýchle techniky výroby ekologických, ekonomických termoelektrických nanočastíc stabilných pri vysokých teplotách. Ultrazvukové mletie aj syntéza zdola nahor (sonokryštalizácia) predstavujú dve sľubné cesty k rýchlej hromadnej výrobe termoelektrických nanomateriálov.

Zariadenia na ultrazvukové mletie

Na zmenšenie veľkosti častíc práškov teluridu bizmutitého (Bi₂Te₃), silicidu horečnatého (Mg₂Si) a kremíka (Si) sa použil ultrazvukový systém s vysokou intenzitou UIP1000hdT (1kW, 20kHz) v usporiadaní s otvorenou kadičkou. Pri všetkých pokusoch bola amplitúda nastavená na 140µm. Nádoba so vzorkou sa chladí vo vodnom kúpeli, teplota sa reguluje pomocou termočlánku. Keďže sonikácia prebiehala v otvorenej nádobe, chladenie sa použilo na zabránenie odparovaniu mlecích roztokov (napr. etanolu, butanolu alebo vody).

(a) Schematické znázornenie experimentálnej zostavy. (b) Zariadenie na ultrazvukové mletie. zdroj: Marquez-Garcia et al. 2015.

Ultrazvukové mletie zliatiny Bi₂Te₃ trvajúce iba 4h už viedlo k vzniku značného množstva nanočastíc s veľkosťou od 150 do 400 nm. Okrem zmenšenia veľkosti do nanometrickej oblasti viedla sonikácia aj k zmene morfológie povrchu. Snímky zo skenovacieho elektrónového mikroskopu (SEM) na obrázku nižšie v častiach b, c a d ukazujú, že ostré hrany častíc pred ultrazvukovým mletím sa po ultrazvukovom mletí vyhladili a zaoblili.

Distribúcia veľkosti častíc a snímky SEM zliatiny na báze Bi2Te3 pred ultrazvukovým mletím a po ňom. a – Distribúcia veľkosti častíc; b – Snímka SEM pred ultrazvukovým mletím; c – Snímka SEM po ultrazvukovom mletí počas 4 h; d – Snímka SEM po ultrazvukovom mletí počas 8 h.
zdroj: Marquez-Garcia et al. 2015.

Na zistenie, či sa zmenšenie veľkosti častíc a úprava povrchu dosahujú výlučne ultrazvukovým mletím, sa uskutočnili podobné experimenty s použitím vysokoenergetického guľového mlyna. Výsledky sú znázornené na obr. 3. Je zrejmé, že guľovým mletím počas 48 h (12-krát dlhšie ako pri ultrazvukovom mletí) vznikli častice s veľkosťou 200–800 nm. SEM ukazuje, že ostré hrany častíc zliatiny Bi₂Te₃ zostávajú po mletí v podstate nezmenené. Tieto výsledky naznačujú, že hladké hrany sú jedinečnou charakteristikou ultrazvukového mletia. Pozoruhodná je aj časová úspora pri ultrazvukovom mletí (4 h oproti 48 h guľového mletia).

Distribúcia veľkosti častíc a snímky SEM Mg2Si pred ultrazvukovým mletím a po ňom. (a) Distribúcia veľkosti častíc; (b) Snímka SEM pred ultrazvukovým mletím; (c) Snímka SEM po ultrazvukovom mletí v zmesi 50% PVP–50% EtOH počas 2 h.
zdroj: Marquez-Garcia et al. 2015.

Marquez-Garcia et al. (2015) dospeli k záveru, že ultrazvukové mletie môže rozomlieť prášky Bi₂Te₃ a Mg₂Si na menšie častice s veľkosťou od 40 do 400 nm, čo naznačuje potenciál tejto techniky pre priemyselnú výrobu nanočastíc. V porovnaní s vysokoenergetickým guľovým mletím má ultrazvukové mletie dve jedinečné charakteristiky:

1. 1. výskyt medzery v distribúcii veľkosti častíc, ktorá oddeľuje pôvodné častice od častíc vytvorených ultrazvukovým mletím; a
2. 2. po ultrazvukovom mletí sú zjavné výrazné zmeny morfológie povrchu, čo naznačuje možnosť upravovať povrchy častíc.

Záver

Ultrazvukové mletie tvrdších častíc vyžaduje sonikáciu pod tlakom, aby sa vytvorila intenzívna kavitácia. Sonikácia pri zvýšenom tlaku (takzvaná manosonikácia) výrazne zvyšuje šmykové sily a namáhanie pôsobiace na častice.
Kontinuálne prietokové sonikačné usporiadanie umožňuje vyšší obsah častíc (pastovitú suspenziu), čo zlepšuje výsledky mletia, pretože ultrazvukové mletie je založené na vzájomných zrážkach častíc.
Sonikácia v usporiadaní s recirkuláciou samostatnej dávky umožňuje zabezpečiť homogénne spracovanie všetkých častíc, a tým veľmi úzku distribúciu veľkosti častíc.

Veľkou výhodou ultrazvukového mletia je, že túto technológiu možno ľahko zväčšiť na výrobu veľkých množstiev – komerčne dostupné výkonné priemyselné ultrazvukové mletie dokáže spracovať množstvá až do 10m³/h.

Výhody ultrazvukového mletia

• Rýchlosť a úspora času
• Úspora energie
• Reprodukovateľné výsledky
• Bez mlecích telies (bez guľôčok alebo perličiek)
• Nízke investičné náklady

Vysokovýkonné ultrazvukové zariadenia

Ultrazvukové mletie vyžaduje ultrazvukové zariadenia s vysokým výkonom. Na vytvorenie intenzívnych kavitačných šmykových síl sú rozhodujúce vysoké amplitúdy a tlak. Priemyselné ultrazvukové procesory Hielscher Ultrasonics dokážu dosahovať veľmi vysoké amplitúdy. Amplitúdy až do 200µm možno ľahko udržiavať nepretržite v prevádzke 24/7. Pre ešte vyššie amplitúdy sú k dispozícii ultrazvukové sonotródy vyrobené na mieru. V kombinácii s prietokovými reaktormi Hielscher umožňujúcimi prevádzku pod tlakom vzniká veľmi intenzívna kavitácia, vďaka ktorej možno prekonať medzimolekulové väzby a dosiahnuť účinné mletie.
Robustnosť ultrazvukových zariadení Hielscher umožňuje prevádzku 24/7 pri veľkom zaťažení a v náročných prostrediach. Digitálne a diaľkové ovládanie, ako aj automatické zaznamenávanie údajov na zabudovanú SD kartu zabezpečujú presné spracovanie, reprodukovateľnú kvalitu a umožňujú štandardizáciu procesu.

Výhody vysokovýkonných ultrazvukových zariadení Hielscher

• veľmi vysoké amplitúdy
• vysoké tlaky
• kontinuálny prietokový proces
• robustné zariadenia
• lineárne zväčšovanie výrobnej kapacity
• bezpečná a jednoduchá obsluha
• jednoduché čistenie