Bluarja me ultratinguj e nanop l uhurave termoelektrike

• Kërkimet kanë treguar se bluarja me ultratinguj mund të përdoret me sukses për prodhimin e nanogrimcave termoelektrike dhe ka potencialin të manipulojë sipërfaqet e grimcave.
• Grimcat e bluara me ultratinguj (p.sh. aliazh me bazë Bi₂Te₃) treguan një zvogëlim të ndjeshëm të madhësisë dhe u prodhuan nanogrimca me madhësi më të vogël se 10µm.
• Për më tepër, sonikimi shkakton ndryshime të ndjeshme në morfologjinë e sipërfaqes së grimcave dhe mundëson kështu funksionalizimin e sipërfaqes së mikrogrimcave dhe nanogrimcave.

Nanogrimcat termoelektrike

Materialet termoelektrike e shndërrojnë energjinë termike në energji elektrike bazuar në efektet Seebeck dhe Peltier. Kështu bëhet i mundur shfrytëzimi efektiv, në zbatime produktive, i energjisë termike që mund të përdoret me vështirësi ose që pothuajse humbet. Meqenëse materialet termoelektrike mund të përfshihen në zbatime të reja, si bateritë biotermike, ftohja termoelektrike në gjendje të ngurtë, pajisjet optoelektronike dhe prodhimi i energjisë elektrike në hapësirë dhe në automjete, kërkimi shkencor dhe industria po kërkojnë teknika të thjeshta dhe të shpejta për të prodhuar nanogrimca termoelektrike miqësore me mjedisin, ekonomike dhe të qëndrueshme në temperatura të larta. Bluarja me ultratinguj si edhe sinteza nga poshtë lart (kristalizimi me ultratinguj) janë dy rrugë premtuese për prodhimin e shpejtë në masë të nanomaterialeve termoelektrike.

Pajisjet për bluarje me ultratinguj

Për zvogëlimin e madhësisë së grimcave të pluhurit të telururit të bismutit (Bi₂Te₃), silicidit të magnezit (Mg₂Si) dhe silicit (Si), sistemi me ultratinguj me intensitet të lartë UIP1000hdT (1kW, 20kHz) u përdor në një konfigurim me gotë laboratorike të hapur. Për të gjitha provat, amplituda u caktua në 140µm. Ena e mostrës ftohet në një banjë uji dhe temperatura kontrollohet me termoelement. Për shkak të sonikimit në një enë të hapur, u përdor ftohja për të parandaluar avullimin e tretësirave të bluarjes (p.sh. etanol, butanol ose ujë).

(a) Diagrami skematik i konfigurimit eksperimental. (b) Aparatura e bluarjes me ultratinguj. burimi: Marquez-Garcia et al. 2015.

Bluarja me ultratinguj për vetëm 4h e aliazhit Bi₂Te₃ dha tashmë një sasi të konsiderueshme nanogrimcash me madhësi ndërmjet 150 dhe 400 nm. Përveç zvogëlimit të madhësisë në intervalin nanometrik, sonikimi shkaktoi edhe një ndryshim të morfologjisë së sipërfaqes. Imazhet SEM në figurën më poshtë, b, c dhe d, tregojnë se skajet e mprehta të grimcave përpara bluarjes me ultratinguj janë bërë të lëmuara dhe të rrumbullakosura pas bluarjes me ultratinguj.

Shpërndarja e madhësisë së grimcave dhe imazhet SEM të aliazhit me bazë Bi2Te3 përpara dhe pas bluarjes me ultratinguj. a – Shpërndarja e madhësisë së grimcave; b – Imazhi SEM përpara bluarjes me ultratinguj; c – Imazhi SEM pas bluarjes me ultratinguj për 4 h; d – Imazhi SEM pas bluarjes me ultratinguj për 8 h.
burimi: Marquez-Garcia et al. 2015.

Për të përcaktuar nëse zvogëlimi i madhësisë së grimcave dhe modifikimi i sipërfaqes arrihen vetëm nëpërmjet bluarjes me ultratinguj, u kryen eksperimente të ngjashme duke përdorur një mulli me sfera me energji të lartë. Rezultatet paraqiten në Fig. 3. Është e dukshme se grimca me madhësi 200–800 nm u prodhuan me bluarje me sfera për 48 h (12 herë më gjatë se bluarja me ultratinguj). SEM tregon se skajet e mprehta të grimcave të aliazhit Bi₂Te₃ mbeten në thelb të pandryshuara pas bluarjes. Këto rezultate tregojnë se skajet e lëmuara janë karakteristika unike të bluarjes me ultratinguj. Edhe kursimi i kohës nëpërmjet bluarjes me ultratinguj (4 h kundrejt 48 h bluarjeje me sfera) është i konsiderueshëm.

Shpërndarja e madhësisë së grimcave dhe imazhet SEM të Mg2Si përpara dhe pas bluarjes me ultratinguj. (a) Shpërndarja e madhësisë së grimcave; (b) Imazhi SEM përpara bluarjes me ultratinguj; (c) Imazhi SEM pas bluarjes me ultratinguj në 50% PVP–50% EtOH për 2 h.
burimi: Marquez-Garcia et al. 2015.

Marquez-Garcia et al. (2015) arrijnë në përfundimin se bluarja me ultratinguj mund ta shpërbëjë pluhurin e Bi₂Te₃ dhe Mg₂Si në grimca më të vogla, madhësitë e të cilave variojnë nga 40 deri në 400 nm, duke sugjeruar një teknikë të mundshme për prodhimin industrial të nanogrimcave. Krahasuar me bluarjen me sfera me energji të lartë, bluarja me ultratinguj ka dy karakteristika unike:

1. 1. shfaqjen e një hendeku në madhësinë e grimcave që i ndan grimcat fillestare nga ato të prodhuara me bluarje me ultratinguj; dhe
2. 2. ndryshime të konsiderueshme në morfologjinë e sipërfaqes janë të dukshme pas bluarjes me ultratinguj, duke treguar mundësinë e manipulimit të sipërfaqeve të grimcave.

Përfundim

Bluarja me ultratinguj e grimcave më të forta kërkon sonikim nën presion për të gjeneruar kavitacion intensiv. Sonikimi nën presion të rritur (i ashtuquajturi manosonikim) i rrit në mënyrë drastike forcat prerëse dhe sforcimin mbi grimcat.
Një konfigurim sonikimi të vazhdueshëm në linjë mundëson një ngarkesë më të lartë grimcash (suspension me konsistencë paste), gjë që përmirëson rezultatet e bluarjes, pasi bluarja me ultratinguj bazohet në përplasjet ndërmjet grimcave.
Sonikimi në një konfigurim me riqarkullim diskret mundëson sigurimin e një trajtimi homogjen të të gjitha grimcave dhe, për rrjedhojë, një shpërndarje shumë të ngushtë të madhësisë së grimcave.

Një përparësi kryesore e bluarjes me ultratinguj është se teknologjia mund të zmadhohet lehtësisht në shkallë për prodhimin e sasive të mëdha – bluarja industriale e fuqishme me ultratinguj, e disponueshme në treg, mund të përpunojë sasi deri në 10m³/h.

Përparësitë e bluarjes me ultratinguj

• E shpejtë, kursen kohë
• Kursen energji
• Rezultate të riprodhueshme
• Pa trupa bluarës (pa rruaza ose perla)
• Kosto e ulët investimi

Pajisje sonikimi me performancë të lartë

Bluarja me ultratinguj kërkon pajisje me ultratinguj me fuqi të lartë. Për të gjeneruar forca prerëse intensive nga kavitacioni, amplitudat e larta dhe presioni janë thelbësorë. Procesorët industrialë me ultratinguj të Hielscher Ultrasonics mund të japin amplituda shumë të larta. Amplituda deri në 200µm mund të mbahen lehtësisht në mënyrë të vazhdueshme gjatë funksionimit 24/7. Për amplituda edhe më të larta, disponohen sonotroda ultrasonike të përshtatura sipas kërkesës. Në kombinim me reaktorët me rrjedhje të Hielscher që mund të vihen nën presion, krijohet kavitacion shumë intensiv, në mënyrë që të kapërcehen lidhjet ndërmolekulare dhe të arrihen efekte efikase bluarjeje.
Qëndrueshmëria e pajisjeve me ultratinguj të Hielscher mundëson funksionimin 24/7 nën ngarkesë të rëndë dhe në mjedise kërkuese. Kontrolli digjital dhe në distancë, si edhe regjistrimi automatik i të dhënave në një kartë SD të integruar, sigurojnë përpunim të saktë, cilësi të riprodhueshme dhe mundësojnë standardizimin e procesit.

Përparësitë e pajisjeve të sonikimit Hielscher me performancë të lartë

• amplituda shumë të larta
• presione të larta
• proces i vazhdueshëm në linjë
• pajisje të qëndrueshme
• zmadhim linear i shkallës
• të sigurta dhe të lehta për t’u përdorur
• të lehta për t’u pastruar