Ultrazvočno mletje termoelektričnih nanopraškov

• Raziskave so pokazale, da se ultrazvočno mletje lahko uspešno uporablja za izdelavo termoelektričnih nanodelcev in omogoča potencialno spreminjanje površin delcev.
• Ultrazvočno mleti delci (npr. zlitine na osnovi Bi₂Te₃) so se znatno zmanjšali, pri čemer so nastali nanodelci, manjši od 10µm.
• Poleg tega sonikacija povzroča znatne spremembe morfologije površine delcev in s tem omogoča funkcionalizacijo površine mikrodelcev in nanodelcev.

Termoelektrični nanodelci

Termoelektrični materiali pretvarjajo toplotno energijo v električno energijo na podlagi Seebeckovega in Peltierjevega pojava. Tako je mogoče težko uporabno ali skoraj izgubljeno toplotno energijo učinkovito uporabiti v koristne namene. Ker se termoelektrični materiali lahko vključijo v nove aplikacije, kot so biotermalne baterije, termoelektrično hlajenje v trdnem stanju, optoelektronske naprave ter proizvodnja električne energije v vesolju in avtomobilski industriji, raziskovalci in industrija iščejo preproste in hitre tehnike za proizvodnjo okolju prijaznih, ekonomičnih termoelektričnih nanodelcev, stabilnih pri visokih temperaturah. Ultrazvočno mletje in sinteza od spodaj navzgor (sonokristalizacija) sta obetavni poti do hitre množične proizvodnje termoelektričnih nanomaterialov.

Oprema za ultrazvočno mletje

Za zmanjšanje velikosti delcev prahu bizmutovega telurida (Bi₂Te₃), magnezijevega silicida (Mg₂Si) in silicija (Si) je bil uporabljen ultrazvočni sistem visoke intenzivnosti UIP1000hdT (1kW, 20kHz) v postavitvi z odprto čašo. Pri vseh preskusih je bila amplituda nastavljena na 140µm. Posoda z vzorcem se hladi v vodni kopeli, temperatura pa se nadzoruje s termočlenom. Zaradi sonikacije v odprti posodi je bilo hlajenje uporabljeno za preprečevanje izhlapevanja raztopin za mletje (npr. etanola, butanola ali vode).

(a) Shematski prikaz eksperimentalne postavitve. (b) Naprava za ultrazvočno mletje. Vir: Marquez-Garcia et al. 2015.

Ultrazvočno mletje v trajanju le 4h je pri zlitini Bi₂Te₃ že dalo znatno količino nanodelcev velikosti med 150 in 400 nm. Poleg zmanjšanja velikosti na nanometrsko območje je sonikacija povzročila tudi spremembo morfologije površine. Posnetki SEM na spodnji sliki b, c in d prikazujejo, da so ostri robovi delcev pred ultrazvočnim mletjem po ultrazvočnem mletju postali gladki in zaobljeni.

Porazdelitev velikosti delcev in posnetki SEM zlitine na osnovi Bi2Te3 pred ultrazvočnim mletjem in po njem. a – porazdelitev velikosti delcev; b – posnetek SEM pred ultrazvočnim mletjem; c – posnetek SEM po 4 h ultrazvočnega mletja; d – posnetek SEM po 8 h ultrazvočnega mletja.
Vir: Marquez-Garcia et al. 2015.

Da bi ugotovili, ali je zmanjšanje velikosti delcev in spremembo površine mogoče doseči izključno z ultrazvočnim mletjem, so bili podobni poskusi izvedeni z visokoenergijskim krogličnim mlinom. Rezultati so prikazani na sliki 3. Razvidno je, da so z 48 h krogličnega mletja (12-krat dlje kot pri ultrazvočnem mletju) nastali delci velikosti 200–800 nm. SEM kaže, da ostri robovi delcev zlitine Bi₂Te₃ po mletju ostanejo v bistvu nespremenjeni. Ti rezultati kažejo, da so gladki robovi edinstvena značilnost ultrazvočnega mletja. Izjemen je tudi prihranek časa pri ultrazvočnem mletju (4 h v primerjavi z 48 h krogličnega mletja).

Porazdelitev velikosti delcev in posnetki SEM Mg2Si pred ultrazvočnim mletjem in po njem. (a) Porazdelitev velikosti delcev; (b) posnetek SEM pred ultrazvočnim mletjem; (c) posnetek SEM po 2 h ultrazvočnega mletja v 50% PVP–50% EtOH.
Vir: Marquez-Garcia et al. 2015.

Marquez-Garcia et al. (2015) ugotavljajo, da lahko ultrazvočno mletje prah Bi₂Te₃ in Mg₂Si razgradi v manjše delce, katerih velikosti segajo od 40 do 400 nm, kar nakazuje potencialno tehniko za industrijsko proizvodnjo nanodelcev. V primerjavi z visokoenergijskim krogličnim mletjem ima ultrazvočno mletje dve edinstveni značilnosti:

1. 1. pojav vrzeli v velikosti delcev, ki ločuje prvotne delce od tistih, nastalih z ultrazvočnim mletjem; in
2. 2. po ultrazvočnem mletju so opazne znatne spremembe morfologije površine, kar kaže na možnost spreminjanja površin delcev.

Zaključek

Ultrazvočno mletje trših delcev zahteva sonikacijo pod tlakom, da se ustvari intenzivna kavitacija. Sonikacija pri povišanem tlaku (tako imenovana manosonikacija) močno poveča strižne sile in napetosti, ki delujejo na delce.
Neprekinjena postavitev za sonikacijo v pretočnem vodu omogoča večjo vsebnost delcev (pastozno suspenzijo), kar izboljša rezultate mletja, saj ultrazvočno mletje temelji na trkih med delci.
Sonikacija v ločeni recirkulacijski postavitvi omogoča zagotavljanje homogene obdelave vseh delcev in s tem zelo ozke porazdelitve velikosti delcev.

Velika prednost ultrazvočnega mletja je, da je tehnologijo mogoče preprosto prenesti na večje merilo za proizvodnjo velikih količin – komercialno dostopna zmogljiva industrijska oprema za ultrazvočno mletje lahko obdela količine do 10m³/h.

Prednosti ultrazvočnega mletja

• Hitro, s prihrankom časa
• S prihrankom energije
• Ponovljivi rezultati
• Brez mlevnih teles (brez kroglic ali biserov)
• Nizki investicijski stroški

Visokozmogljivi ultrazvočni procesorji

Ultrazvočno mletje zahteva ultrazvočno opremo velike moči. Za ustvarjanje intenzivnih kavitacijskih strižnih sil sta ključna visoka amplituda in tlak. Industrijski ultrazvočni procesorji Hielscher Ultrasonics lahko zagotavljajo zelo visoke amplitude. Pri amplitudah do 200µm lahko brez težav neprekinjeno delujejo v režimu 24/7. Za še višje amplitude so na voljo ultrazvočne sonotrode, izdelane po meri. V kombinaciji s pretočnimi reaktorji Hielscher, ki omogočajo delovanje pod tlakom, nastane zelo intenzivna kavitacija, ki omogoča premagovanje medmolekulskih vezi in učinkovito mletje.
Robustnost ultrazvočne opreme Hielscher omogoča delovanje v režimu 24/7 pri velikih obremenitvah in v zahtevnih okoljih. Digitalno in daljinsko upravljanje ter samodejno zapisovanje podatkov na vgrajeno kartico SD zagotavljajo natančno obdelavo, ponovljivo kakovost in omogočajo standardizacijo procesa.

Prednosti visokozmogljivih ultrazvočnih procesorjev Hielscher

• zelo visoke amplitude
• visoki tlaki
• neprekinjen proces v pretočnem vodu
• robustna oprema
• linearni prenos na večje merilo
• varno in preprosto upravljanje
• preprosto čiščenje