Ултразвук велике снаге за обраду честица: напомене о примени

Да би у потпуности испољиле своја својства, честице морају бити деагломерисане и равномерно дисперговане тако да њихова површина буде доступна. Снажне ултразвучне силе познате су као поуздано средство за дисперговање и млевење којим се честице уситњавају до субмикронских и нано димензија. Поред тога, соникација омогућава модификацију и функционализацију честица, нпр. облагањем наночестица металним слојем.

У наставку је дат избор честица и течности са одговарајућим препорукама за обраду материјала ради млевења, дисперговања, деагломерације или модификације честица помоћу ултразвучног хомогенизатора.

Како припремити прахове и честице снажном соникацијом.

По абецедном реду:

Aerosil

Примена ултразвука:
Дисперзије честица силицијум-диоксида Aerosil OX50 у води Millipore (pH 6) припремљене су дисперговањем 5,0 g праха у 500 mL воде помоћу ултразвучног процесора високог интензитета UP200S (200W; 24kHz). Дисперзије силицијум-диоксида припремљене су у раствору дестиловане воде (pH = 6) излагањем ултразвуку помоћу уређаја UP200S током 15 min., након чега је следило интензивно мешање током 1 h. За подешавање pH коришћен је HCl. Садржај чврсте материје у дисперзијама износио је 0,1% (w/v).
Препоручени уређај:
UP200S
Референца/научни рад:
Licea-Claverie, A.; Schwarz, S.; Steinbach, Ch.; Ponce-Vargas, S. M.; Genest, S. (2013): Комбинација природних и термоосетљивих полимера у флокулацији финих дисперзија силицијум-диоксида. International Journal of Carbohydrate Chemistry 2013.

Al₂O₃–вода нанофлуиди

Примена ултразвука:
Al₂O₃–вода нанофлуиди могу се припремити следећим корацима: прво дигиталном електронском вагом одмерите масу наночестица Al₂O₃ . Затим постепено додајте наночестице Al₂O₃ у одмерену дестиловану воду и мешајте смешу Al₂O₃–вода. Соницирајте смешу непрекидно током 1h помоћу ултразвучног уређаја са сондом UP400S (400W, 24kHz) да бисте добили равномерну дисперзију наночестица у дестилованој води.
Нанофлуиди се могу припремити са различитим уделима (0,1%, 0,5% и 1%). Нису потребни сурфактанти нити промене pH.
Препоручени уређај:
UP400S
Референца/научни рад:
Isfahani, A. H. M.; Heyhat, M. M. (2013): Експериментално истраживање струјања нанофлуида у микромоделу као порозној средини. International Journal of Nanoscience and Nanotechnology 9/2, 2013. 77–84.

Ултразвучно дисперговање алуминијум-оксида (Al2O3) доводи до значајног смањења величине честица и равномерне дисперзије.

Честице силицијум-диоксида обложене бемитом

Примена ултразвука:
Честице силицијум-диоксида облажу се слојем бемита: да би се добила савршено чиста површина без органских материја, честице се загревају на 450°C. Након млевења честица ради разбијања агломерата, припрема се водена суспензија са 6 vol% (≈70 ml), која се стабилизује на pH 9 додавањем три капи амонијумског раствора. Суспензија се затим деагломерише ултразвуком помоћу уређаја UP200S при амплитуди од 100% (200 W) током 5 min. Након загревања раствора на температуру изнад 85°C, додато је 12,5 g алуминијум-сек-бутоксида. Температура се одржава на 85–90°C током 90 min., а суспензија се меша магнетном мешалицом током целог поступка. Потом се суспензија непрекидно меша док се не охлади на температуру испод 40°C. Затим је pH вредност подешена на 3 додавањем хлороводоничне киселине. Одмах након тога, суспензија се третира ултразвуком у леденом купатилу. Прах се испира разблаживањем и накнадним центрифугирањем. Након уклањања супернатанта, честице се суше у сушници на 120°C. На крају се честице термички обрађују на 300°C током 3 сата.
Препоручени уређај:
UP200S
Референца/научни рад:
Wyss, H. M. (2003): Микроструктура и механичко понашање концентрованих гелова честица. Дисертација, Swiss Federal Institute of Technology 2003. стр.71.

Синтеза нанокомпозита кадмијум(II)–тиоацетамид

Примена ултразвука:
Нанокомпозити кадмијум(II)-тиоацетамида синтетисани су сонохемијским поступком у присуству и одсуству поливинил-алкохола. За сонохемијску синтезу (соносинтезу), 0,532 g кадмијум(II)-ацетата дихидрата (Cd(CH3COO)2.2H2O), 0,148 g тиоацетамида (TAA, CH3CSNH2) и 0,664 g калијум-јодида (KI) растворено је у 20mL двоструко дестиловане дејонизоване воде. Овај раствор је обрађен ултразвуком помоћу сондастог ултразвучног уређаја велике снаге UP400S (24 kHz, 400W) на собној температури током 1 h. Током ултразвучне обраде реакционе смеше температура је порасла на 70–80degC, према мерењу термопаром гвожђе–константан. После једног сата формирао се јаркожути талог. Издвојен је центрифугирањем (4.000 rpm, 15 min), испран двоструко дестилованом водом, а затим апсолутним етанолом ради уклањања заосталих нечистоћа и на крају осушен на ваздуху (принос: 0,915 g, 68%). Температура разлагања: 200°C. За припрему полимерног нанокомпозита, 1,992 g поливинил-алкохола растворено је у 20 mL двоструко дестиловане дејонизоване воде, а затим додато у горенаведени раствор. Ова смеша је изложена ултразвуку помоћу уређаја UP400S током 1 h, при чему је настао јарконаранџасти производ.
Резултати SEM анализе показали су да су се у присуству PVA величине честица смањиле са око 38 nm на 25 nm. Затим смо синтетисали хексагоналне наночестице CdS сферне морфологије термичким разлагањем полимерног нанокомпозита кадмијум(II)-тиоацетамид/PVA као прекурсора. Величина наночестица CdS измерена је и помоћу XRD и помоћу SEM, а резултати су се међусобно веома добро слагали.
Ranjbar и сар. (2013) такође су утврдили да је полимерни нанокомпозит Cd(II) погодан прекурсор за припрему наночестица кадмијум-сулфида занимљивих морфологија. Сви резултати показали су да се ултразвучна синтеза може успешно применити као једноставна, ефикасна, јефтина, еколошки прихватљива и веома перспективна метода за синтезу материјала нанометарских димензија без потребе за посебним условима, као што су висока температура, дуго време реакције и висок притисак.
Препоручени уређај:
UP400S
Референца/научни рад:
Ranjbar, M.; Mostafa Yousefi, M.; Nozari, R.; Sheshmani, S. (2013): Синтеза и карактеризација нанокомпозита кадмијум-тиоацетамида. Int. J. Nanosci. Nanotechnol. 9/4, 2013. 203–212.

CaCO₃

Ултразвучна примена:
Ултразвучно облагање наноталоженог CaCO₃ (NPCC) стеаринском киселином спроведено је ради побољшања његовог дисперговања у полимеру и смањења агломерације. 2g необложеног наноталоженог CaCO₃ (NPCC) обрађено је ултразвуком помоћу уређаја UP400S у 30ml етанола. 9 wt% стеаринске киселине растворено је у етанолу. Етанол са стеаринском киселином затим је помешан са ултразвучно обрађеном суспензијом.
Препоручени уређај:
UP400S са сонотродом пречника 22mm (H22D) и проточном ћелијом са расхладним плаштом
Референца/научни рад:
Kow, K. W.; Abdullah, E. C.; Aziz, A. R. (2009): Ефекти ултразвука при облагању наноталоженог CaCO3 стеаринском киселином. Asia‐Pacific Journal of Chemical Engineering 4/5, 2009. 807–813.

Нанокристали целулозе

Ултразвучна примена:
Нанокристали целулозе (CNC) припремљени од целулозе еукалиптуса – CNC: Нанокристали целулозе припремљени од целулозе еукалиптуса модификовани су реакцијом са метил-адипоил-хлоридом, CNCm, или са смешом сирћетне и сумпорне киселине, CNCa. Стога су лиофилизовани CNC, CNCm и CNCa поново дисперговани у чистим растварачима (EA, THF или DMF) при концентрацији од 0,1 wt%, мешањем магнетном мешалицом преко ноћи на 24 ± 1 degC, након чега је уследила ултразвучна обрада у трајању од 20 min. помоћу сондастог ултразвучног уређаја UP100H. Ултразвучна обрада спроведена је интензитетом од 130 W/cm² при 24 ± 1 degC. Након тога, CAB је додат у дисперзију CNC, тако да је коначна концентрација полимера износила 0,9 wt%.
Препоручени уређај:
UP100H
Референца/научни рад:
Blachechen, L. S.; de Mesquita, J. P.; de Paula, E. L.; Pereira, F. V.; Petri, D. F. S. (2013): Међусобни утицај колоидне стабилности нанокристала целулозе и њихове дисперзибилности у матрици целулозног ацетат-бутирата. Cellulose 20/3, 2013. 1329–1342.

Силан допиран церијум-нитратом

Примена ултразвука:
Хладно ваљане плоче од угљеничног челика (6,5cm 6,5cm 0,3cm; хемијски очишћене и механички полиране) коришћене су као металне подлоге. Пре наношења премаза, плоче су ултразвучно очишћене ацетоном, а затим алкалним раствором (раствор NaOH концентрације 0,3molL 1) на 60°C током 10 min. За употребу као основни премаз, пре предобраде подлоге, типична формулација која садржи 50 делова γ-глицидоксипропилтриметоксисилана (γ-GPS) разблажена је са око 950 делова метанола, при pH 4,5 (подешеном сирћетном киселином), и остављена да би се омогућила хидролиза силана. Поступак припреме силана допираног пигментима церијум-нитрата био је исти, осим што је 1, 2, 3 wt% церијум-нитрата додато раствору метанола пре додавања (γ-GPS), након чега је овај раствор мешан пропелерском мешалицом при 1600 rpm током 30 min. на собној температури. Затим су дисперзије које садрже церијум-нитрат сонициране током 30 min на 40°C уз спољашње расхладно купатило. Ултразвучна обрада изведена је ултразвучним уређајем UIP1000hd (1000W, 20 kHz) са улазном ултразвучном снагом од око 1 W/mL. Предобрада подлоге изведена је испирањем сваке плоче током 100 sec. одговарајућим раствором силана. Након обраде, плоче су остављене да се суше на собној температури током 24 h, а затим су претходно обрађене плоче премазане двокомпонентним епоксидним премазом који очвршћава амином. (Epon 828, shell Co.) да би се добила дебљина влажног филма од 90μm. Плоче са епоксидним премазом остављене су да очвршћавају током 1h на 115°C; након очвршћавања епоксидних премаза, дебљина сувог филма била је око 60μm.
Препоручени уређај:
UIP1000hd
Референца/истраживачки рад:
Zaferani, S.H.; Peikari, M.; Zaarei, D.; Danaei, I. (2013): Електрохемијски ефекти предобраде силанима који садрже церијум-нитрат на својства катодног одвајања премаза код челика са епоксидним премазом. Journal of Adhesion Science and Technology 27/22, 2013. 2411–2420.

Глина: дисперговање/фракционисање

Примена ултразвука:
Фракционисање према величини честица: Ради издвајања честица < 1 μm из честица величине 1–2 μm, честице величине глине (< 2 μm) раздвојене су у ултразвучном пољу и накнадном применом различитих брзина седиментације.
Честице величине глине (< 2 μm) раздвојене су ултразвучном обрадом уз унос енергије од 300 J mL^-1 (1 min.) помоћу ултразвучног дезинтегратора са сондом UP200S (200W, 24kHz) опремљеног сонотродом S7 пречника 7 mm. Након ултразвучног озрачивања, узорак је центрифугиран при 110 x g (1000 rpm) током 3 min. Исталожена фаза (остатак фракционисања) затим је коришћена за фракционисање према густини ради издвајања фракција мале густине, а добијена плутајућа фаза (фракција < 2 μm) пренета је у другу епрувету за центрифугирање и центрифугирана при 440 x g (2000 rpm) током 10 min. ради раздвајања фракције < 1 μm (супернатант) од фракције 1–2 μm (талог). Супернатант који садржи фракцију < 1 μm пренет је у другу епрувету за центрифугирање и након додавања 1 mL MgSO₄ центрифугиран је при 1410 x g (4000 rpm) током 10 min ради декантовања преостале воде.
Да би се избегло прегревање узорка, поступак је поновљен 15 пута.
Препоручени уређај:
UP200S са S7 или UP200St са S26d7
Референца/истраживачки рад:
Jakubowska, J. (2007): Утицај врсте воде за наводњавање на фракције органске материје земљишта (SOM) и њихове интеракције са хидрофобним једињењима. Дисертација, Универзитет Мартин Лутер у Халеу и Витенбергу 2007.

Глина: ексфолијација неорганске глине

Примена ултразвука:
Неорганска глина је ексфолирана ради припреме нанокомпозита на бази пулулана за дисперзију за наношење превлаке. У ту сврху, фиксна количина пулулана (4 мас.% на влажној основи) растворена је у води на 25degC током 1 h уз благо мешање (500 rpm). Истовремено, прах глине, у количини од 0,2 до 3,0 мас.%, диспергован је у води уз интензивно мешање (1000 rpm) током 15 минута. Добијена дисперзија је третирана ултразвуком помоћу уређаја UP400S (снага_max = 400 W; фреквенција = 24 kHz), опремљеног титанијумском сонотродом H14, пречник врха 14 mm, амплитуда_max = 125 μm; површински интензитет = 105 Wcm^-2) под следећим условима: 0,5 циклуса и 50% амплитуде. Трајање ултразвучног третмана варирало је у складу са планом експеримента. Органски раствор пулулана и неорганска дисперзија затим су помешани уз благо мешање (500 rpm) током додатних 90 минута. Након мешања, концентрације двеју компоненти одговарале су односу неорганске и органске компоненте (I/O) у распону од 0,05 до 0,75. Расподела величине честица у воденој дисперзији глина Na⁺-MMT пре и после ултразвучног третмана процењена је помоћу анализатора наночестица IKO-Sizer CC-1.
За фиксну количину глине утврђено је да је најефикасније време соникације 15 минута, док дужи ултразвучни третман повећава вредност P’O₂ (услед поновне агрегације), која се поново смањује при најдужем времену соникације (45 min), вероватно услед фрагментације и плочица и тактоида.
Према експерименталној поставци примењеној у дисертацији Introzzi, специфична излазна енергија од 725 Ws mL^-1 израчуната је за третман од 15 минута, док је продужено време ултразвучног третмана од 45 минута резултирало специфичном потрошњом енергије од 2060 Ws mL^-1. То би омогућило уштеду прилично велике количине енергије током целог процеса, што ће се на крају одразити на трошкове по јединици обрађене количине.
Препорука уређаја:
UP400S са сонотродом H14
Референца/истраживачки рад:
Introzzi, L. (2012): Развој биополимерних превлака високих перформанси за примену у амбалажи за храну. Дисертација, Универзитет у Милану 2012.

Проводљиво мастило

Ултразвучна примена:
Проводљиво мастило припремљено је дисперговањем честица Cu+C и Cu+CNT са дисперзантима у смеши растварача (публикација IV). Дисперзанти су били три средства за дисперговање велике молекулске масе, DISPERBYK-190, DISPERBYK-198 и DISPERBYK-2012, произвођача BYK Chemie GmbH, намењена дисперзијама пигмента чађи на бази воде. Дејонизована вода (DIW) коришћена је као главни растварач. Монометил етар етилен-гликола (EGME) (Sigma-Aldrich), монобутил етар етилен-гликола (EGBE) (Merck) и n-пропанол (Honeywell Riedel-de Haen) коришћени су као корастварачи.
Помешана суспензија је соницирана 10 минута у леденом купатилу помоћу уређаја UP400S за ултразвучну обраду. Потом је суспензија остављена да се таложи један сат, након чега је декантована. Пре наношења центрифугирањем или штампања, суспензија је соницирана у ултразвучном купатилу током 10 min.
Препорука уређаја:
UP400S
Референца/истраживачки рад:
Forsman, J. (2013): Производња наночестица Co, Ni и Cu редукцијом водоником. Дисертација, VTT Финска 2013.

Ултразвучни третман је веома ефикасан за смањење величине честица и дисперговање пигмената у мастилу за инкџет штампу.

Бакарни фталоцијанин

Ултразвучна примена:
Разградња металофталоцијанина
Бакарни фталоцијанин (CuPc) соницира се са водом и органским растварачима на температури околине и атмосферском притиску у присуству оксиданса као катализатора помоћу ултразвучног уређаја снаге 500W UIP500hd са проточном комором. Интензитет соникације: 37–59 W/cm², смеша узорка: 5 mL узорка (100 mg/L), 50 D/D воде са хлороформом и пиридином при 60% ултразвучне амплитуде. Температура реакције: 20°C при атмосферском притиску.
Степен разградње до 95% у року од 50 min соникације.
Препорука уређаја:
UIP500hd

Дибутирилхитин (DBCH)

Ултразвучна примена:
Дуги полимерни макромолекули могу се раскинути ултразвучном обрадом. Смањење моларне масе уз помоћ ултразвука омогућава избегавање нежељених споредних реакција или издвајања споредних производа. Сматра се да је ултразвучна деградација, за разлику од хемијског или термичког разлагања, неслучајан процес, при чему се раскидање одвија приближно у средишту молекула. Из тог разлога већи макромолекули брже деградирају.
Експерименти су изведени коришћењем ултразвучног генератора UP200S опремљеног сонотродом S2. Улазна снага ултразвучног уређаја била је подешена на 150 W. Коришћени су раствори дибутирилхитина у диметилацетамиду, са концентрацијом дибутирилхитина од 0,3 g/100 cm3 и запремином од 25 cm3. Сонотрода (ултразвучна сонда / рог) била је уроњена у раствор полимера 30 mm испод површине. Раствор је постављен у термостатирано водено купатило одржавано на 25°C. Сваки раствор је излаган ултразвуку током унапред одређеног временског интервала. Након тог времена раствор је разблажен 3 пута и подвргнут анализи хроматографијом искључивања по величини.
Приказани резултати указују на то да дибутирилхитин не подлеже деструкцији под дејством ултразвука велике снаге, али долази до деградације полимера, која се тумачи као контролисана сонохемијска реакција. Стога се ултразвук може користити за смањење просечне моларне масе дибутирилхитина, а исто важи и за однос масено просечне и бројно просечне моларне масе. Уочене промене се појачавају повећањем снаге ултразвука и трајања соникације. Почетна моларна маса такође је значајно утицала на степен деградације DBCH у испитиваним условима соникације: што је почетна моларна маса већа, већи је и степен деградације.
Препоручени уређај:
UP200S
Референца / научни рад:
Szumilewicz, J.; Pabin-Szafko, B. (2006): Ултразвучна деградација дибутирилхитина. Polish Chitin Society, Monograph XI, 2006. 123–128.

Фероцен у праху

Ултразвучна примена:
Сонохемијски поступак за припрему SWNCNTs: Прах силицијум-диоксида (пречника 2–5 mm) додаје се у раствор 0,01 mol% фероцена у p-ксилену, након чега следи соникација уређајем UP200S опремљеним сондом са титанијумским врхом (сонотрода S14). Ултразвучна обрада је спроведена током 20 мин. на собној температури и атмосферском притиску. Синтезом потпомогнутом ултразвуком добијене су SWCNTs високе чистоће на површини праха силицијум-диоксида.
Препоручени уређај:
UP200S са ултразвучном сондом S14
Референца / научни рад:
Srinivasan C.(2005): ЗВУЧНА метода за синтезу једнозидних угљеничних наноцеви у амбијенталним условима. Current Science 88/ 1, 2005. 12–13.

Летећи пепео / метакаолинит

Ултразвучна примена:
Испитивање излуживања: У 50g чврстог узорка додато је 100mL раствора за излуживање. Интензитет соникације: макс. 85 W/cm² помоћу уређаја UP200S у воденом купатилу на 20°C.
Геополимеризација: Суспензија је мешана помоћу уређаја UP200S за ултразвучну хомогенизацију ради геополимеризације. Интензитет соникације био је макс. 85 W/cm². Ради хлађења, соникација је спроведена у купатилу са леденом водом.
Примена ултразвука велике снаге за геополимеризацију доводи до повећања чврстоће на притисак насталих геополимера и повећања чврстоће са продужавањем соникације до одређеног времена. Растварање метакаолинита и летећег пепела у алкалним растворима побољшано је ултразвучном обрадом, јер се више Al и Si ослобађало у гел-фазу за поликондензацију.
Препоручени уређај:
UP200S
Референца / научни рад:
Feng, D.; Tan, H.; van Deventer, J. S. J. (2004): Геополимеризација побољшана ултразвуком. Journal of Materials Science 39/2, 2004. 571–580

Графен

Ултразвучна примена:
Чисти графенски листови могу се производити у великим количинама, као што је показано у раду Stengl и сар. (2011) током производње нестехиометријског нанокомпозита TiO₂ и графена термичком хидролизом суспензије са графенским нанолистовима и пероксо-комплексом титанијум-диоксида. Чисти графенски нанолистови произведени су од природног графита обрадом ултразвуком велике снаге помоћу ултразвучног процесора од 1000W UIP1000hd у комори ултразвучног реактора високог притиска при 5 barg. Добијени листови графена одликују се великом специфичном површином и јединственим електронским својствима. Истраживачи тврде да је квалитет ултразвучно припремљеног графена много виши од квалитета графена добијеног Хамеровом методом, у којој се графит ексфолира и оксидује. Пошто се физички услови у ултразвучном реактору могу прецизно контролисати и уз претпоставку да ће концентрација графена као допанта варирати у опсегу од 1 – 0,001%, могућа је производња графена у континуалном систему у комерцијалним размерама.
Препоручени уређај:
UIP1000hd
Референца/научни рад:
Stengl, V.; Popelková, D.; Vlácil, P. (2011): Нанокомпозит TiO2–графен као фотокатализатор високих перформанси. У: Journal of Physical Chemistry C 115/2011. стр. 25209–25218.
Кликните овде да бисте прочитали више о ултразвучној производњи и припреми графена!

Графен-оксид

Ултразвучна примена:
Слојеви графен-оксида (GO) припремљени су следећим поступком: 25mg праха графен-оксида додато је у 200 mL дејонизоване воде. Мешањем је добијена нехомогена смеђа суспензија. Добијене суспензије су сонициране (30 min, 1,3 × 105J), а након сушења (на 373 K) добијен је ултразвучно обрађен графен-оксид. FTIR спектроскопија је показала да ултразвучна обрада није променила функционалне групе графен-оксида.
Препоручени уређај:
UP400S
Референца/научни рад:
Oh, W. Ch.; Chen, M. L.; Zhang, K.; Zhang, F. J.; Jang, W. K. (2010): Утицај термичке и ултразвучне обраде на формирање нанолистова графен-оксида. Journal of the Korean Physical Society 4/56, 2010. стр. 1097–1102.
Кликните овде да бисте прочитали више о ултразвучној ексфолијацији и припреми графена!

Полимерне наночестице са длакавом површином добијене разградњом поли(винил-алкохола)

Ултразвучна примена:
Једноставан поступак у једном кораку, заснован на сонохемијској разградњи полимера растворљивих у води у воденом раствору у присуству хидрофобног мономера, доводи до добијања функционалних полимерних честица са длакавом површином у серуму без остатака. Све полимеризације изведене су у стакленом реактору са двоструким зидом запремине 250 mL, опремљеном преградама, сензором температуре, магнетним штапићем за мешање и ултразвучним процесором Hielscher US200S (200 W, 24 kHz) опремљеним титанијумском сонотродом S14 (пречник = 14 mm, дужина = 100 mm).
Раствор поли(винил-алкохола) (PVOH) припремљен је растварањем прецизно одмерене количине PVOH у води, преко ноћи на 50°C уз интензивно мешање. Пре полимеризације, раствор PVOH је стављен у реактор, а температура је подешена на жељену температуру реакције. Кроз раствор PVOH и мономер одвојено је пропуштан аргон током 1 сата. Потребна количина мономера додавана је кап по кап у раствор PVOH уз интензивно мешање. Затим је обустављено пропуштање аргона кроз течност и започета је соникација уређајем UP200S при амплитуди од 80%. Овде треба напоменути да употреба аргона има две сврхе: (1) уклањање кисеоника и (2) неопходна је за стварање ултразвучне кавитације. Стога би континуални проток аргона у начелу био користан за полимеризацију, али је долазило до прекомерног пенушања; поступком који смо овде применили избегнут је овај проблем и обезбеђени су довољни услови за ефикасну полимеризацију. Узорци су периодично узимани ради праћења конверзије гравиметријом, расподеле молекулских маса и/или расподеле величина честица.
Препоручени уређај:
US200S
Референца/научни рад:
Smeets, N. M. B.; E-Rramdani, M.; Van Hal, R. C. F.; Gomes Santana, S.; Quéléver, K.; Meuldijk, J.; Van Herk, JA. M.; Heuts, J. P. A. (2010): Једноставан сонохемијски поступак у једном кораку за добијање функционалних полимерних наночестица са длакавом површином. Soft Matter, 6, 2010. 2392–2395.

HiPco-SWCNTs

Ултразвучна примена:
Дисперговање HiPco-SWCNTs помоћу UP400S: У бочици од 5 mL, 0,5 mg оксидованих HiPcoTM SWCNTs (0,04 mmol угљеника) суспендовано је у 2 mL дејонизоване воде помоћу ултразвучног процесора UP400S да би се добила суспензија црне боје (0,25 mg/mL SWCNTs). Овој суспензији додато је 1,4 μL раствора PDDA (20 wt./%, молекулска маса = 100.000–200.000), а смеша је мешана вортекс мешалицом 2 минута. Након додатне ултразвучне обраде у воденом купатилу током 5 минута, суспензија наноцеви је центрифугирана при 5000g током 10 минута. Супернатант је узет за AFM мерења и затим функционализован помоћу siRNA.
Препоручени уређај:
UP400S
Референца/истраживачки рад:
Jung, A. (2007): Функционални материјали на бази угљеничних наноцеви. Дисертација, Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg 2007.

Хидроксиапатитна биокерамика

Примена ултразвука:
За синтезу нано-HAP, 40 mL раствора 0,32M Ca(NO₃)² ⋅ 4H₂O стављено је у малу чашу. pH раствора је затим подешен на 9,0 помоћу приближно 2,5 mL амонијум-хидроксида. Раствор је затим ултразвучно обрађен помоћу ултразвучног процесора UP50H (50 W, 30 kHz), опремљеног сонотродом MS7 (пречник ултразвучног рога 7mm), подешеног на максималну амплитуду од 100%, током 1 сата. На крају првог сата, 60 mL раствора 0,19M [KH₂PO₄] затим је полако, кап по кап, додавано у први раствор током другог сата ултразвучног озрачивања. Током мешања, pH вредност је проверавана и одржавана на 9, док је однос Ca/P одржаван на 1,67. Раствор је затим филтриран центрифугирањем (~2000 g), након чега је добијени бели талог подељен на више узорака за термичку обраду. Припремљене су две групе узорака: прва се састојала од дванаест узорака за термичку обраду у цевастој пећи, а друга од пет узорака за микроталасну обраду
Препоручени уређај:
UP50H
Референца/истраживачки рад:
Poinern, G. J. E.; Brundavanam, R.; Thi Le, X.; Djordjevic, S.; Prokic, M.; Fawcett, D.(2011): Термички и ултразвучни утицај на формирање хидроксиапатитне биокерамике нанометарских димензија. International Journal of Nanomedicine 6, 2011. 2083–2095.

Ултразвучно уситњен и диспергован калцијум-хидроксиапатит

Неорганске наночестице WS₂ налик фулеренима

Примена ултразвука:
Ултразвучном обрадом током електродепозиције неорганских наночестица WS₂ налик фулеренима (IF) у матрици никла постиже се уједначенија и компактнија превлака. Поред тога, примена ултразвука значајно утиче на масени удео честица уграђених у метални талог. Тако се масени удео честица IF-WS₂ у матрици никла повећава са 4,5 wt.% (у филмовима формираним искључиво уз механичко мешање) на око 7 wt.% (у филмовима припремљеним уз ултразвучну обраду при интензитету ултразвука од 30 W cm^-2 интензитета ултразвука).
Ni/IF-WS₂ нанокомпозитне превлаке електролитички су таложене из стандардног Вотсовог купатила за никловање, у које су додате наночестице индустријског квалитета IF-WS₂ (неоргански фулерени-WS₂).
За експеримент, IF-WS₂ је додат у Вотсове електролите за никловање, а суспензије су интензивно мешане магнетном мешалицом (300 rpm) најмање 24 h на собној температури пре експеримената саталожења. Непосредно пре процеса електродепозиције, суспензије су подвргнуте ултразвучној предобради у трајању од 10 min. да би се избегла агломерација. За ултразвучно озрачивање, уређај UP200S за ултразвучну обраду са сондом, опремљен сонотродом S14 (пречник врха 14 mm), подешен је на амплитуду од 55%.
За експерименте саталожења коришћене су цилиндричне стаклене ћелије запремине 200 mL. Превлаке су таложене на равним катодама од комерцијалног нискоугљеничног челика (класе St37), површине 3cm². Анода је била фолија од чистог никла (3cm²) постављена са стране посуде, наспрам катоде. Растојање између аноде и катоде било је 4cm. Подлоге су одмашћене, испране хладном дестилованом водом, активиране у 15% раствору HCl (1 min.) и поново испране дестилованом водом. Електрохемијско кодепоновање спроведено је при константној густини струје од 5,0 A dm^-2 током 1 h помоћу извора једносмерног напајања (5 A/30 V, BLAUSONIC FA-350). Да би се одржала уједначена концентрација честица у целокупној запремини раствора, током електродепозиције коришћена су два начина мешања: механичко мешање магнетном мешалицом (ω = 300 rpm) постављеном на дну ћелије и ултразвучна обрада помоћу ултразвучног уређаја са сондом UP200S. Ултразвучна сонда (сонотрода) директно је уроњена у раствор одозго и прецизно постављена између радне и помоћне електроде тако да није било заклањања. Интензитет ултразвука усмереног ка електрохемијском систему мењан је контролисањем амплитуде ултразвука. У овој студији амплитуда вибрација подешена је на 25, 55 и 75% у континуалном режиму, што је одговарало интензитетима ултразвука од 20, 30 и 40 W cm^-2 редом, измереним процесором повезаним са мерачем ултразвучне снаге (Hielscher Ultrasonics). Температура електролита одржавана је на 55◦C помоћу термостата. Температура је мерена пре и после сваког експеримента. Пораст температуре услед ултразвучне енергије није премашио 2–4◦C. После електролизе, узорци су ултразвучно чишћени у етанолу током 1 min. ради уклањања слабо адсорбованих честица са површине.
Препоручени уређај:
UP200S са ултразвучним рогом / сонотродом S14
Референца/ Истраживачки рад:
García-Lecina, E.; García-Urrutia, I.; Díeza, J.A.; Fornell, B.; Pellicer, E.; Sort, J. (2013): Кодепоновање неорганских наночестица WS2 налик фулеренима у електродепонованој никлованој матрици под утицајем ултразвучног мешања. Electrochimica Acta 114, 2013. 859–867.

Синтеза латекса

Примена ултразвука:
Припрема P(St-BA) латекса
Честице P(St-BA) поли(стирен-r-бутил акрилат) P(St-BA) латекса синтетисане су емулзионом полимеризацијом у присуству површински активне материје DBSA. Најпре је 1 g DBSA растворен у 100 mL воде у трогрлом балону, а pH вредност раствора подешена је на 2,0. Смеша мономера од 2,80 g St и 8,40 g BA са иницијатором AIBN (0,168 g) сипана је у раствор DBSA. Емулзија уља у води (O/W) припремљена је магнетним мешањем током 1 h, након чега је уследила ултразвучна обрада уређајем UIP1000hd опремљеним ултразвучним рогом (сондом/ сонотродом) још 30 min у леденом купатилу. На крају је полимеризација спроведена на 90degC у уљном купатилу током 2 h у атмосфери азота.
Препоручени уређај:
UIP1000hd
Референца/ Истраживачки рад:
Израда савитљивих проводних филмова добијених од поли(3,4-етилендиокситиофен)eполи(стиренсулфонске киселине) (PEDOT:PSS) на подлози од нетканог текстила. Materials Chemistry and Physics 143, 2013. 143–148.
Кликните овде да бисте прочитали више о сонохемијској синтези латекса!

Уклањање олова (ултразвучно лужење)

Примена ултразвука:
Ултразвучно лужење олова из загађеног земљишта:
Експерименти ултразвучног лужења спроведени су помоћу ултразвучног уређаја UP400S са титанијумском ултразвучном сондом (пречника 14mm), који ради на фреквенцији од 20kHz. Ултразвучна сонда (сонотрода) калибрисана је калориметријски, при чему је интензитет ултразвука подешен на 51 ± 0,4 W cm^-2 за све експерименте ултразвучног лужења. Експерименти ултразвучног лужења термостатирани су помоћу стаклене ћелије са равним дном и плаштом на 25 ± 1°C. Три система коришћена су као раствори за лужење земљишта (0,1L) уз ултразвучну обраду: 6 mL 0,3 mol L^-2 раствора сирћетне киселине (pH 3,24), 3% (v/v) раствор азотне киселине (pH 0,17) и пуфер сирћетне киселине/ацетата (pH 4,79), припремљен мешањем 60mL 0,3 mol L^-1 сирћетне киселине са 19 mL 0,5 mol L^-1 NaOH. Након процеса ултразвучног излуживања, узорци су филтрирани кроз филтер-папир како би се раствор излужених материја одвојио од земљишта, након чега су извршени електроталожење олова из тог раствора и дигестија земљишта након примене ултразвука.
Доказано је да је ултразвук драгоцено средство за побољшање излуживања олова из загађеног земљишта. Ултразвук је такође ефикасна метода за готово потпуно уклањање олова које се може излужити из земљишта, чиме се добија знатно мање опасно земљиште.
Препорука уређаја:
UP400S са сонотродом H14
Референца / научни рад:
Sandoval-González, A.; Silva-Martínez, S.; Blass-Amador, G. (2007): Комбиновање ултразвучног излуживања и електрохемијске обраде за уклањање олова из земљишта. Journal of New Materials for Electrochemical Systems 10, 2007. 195–199.

Припрема суспензија наночестица

Примена ултразвука:
За припрему суспензија наночестица коришћени су прахови необложених nTiO2 (5nm према трансмисионој електронској микроскопији (TEM)) и nZnO (20nm према TEM), као и полимером обложених nTiO2 (3–4nm према TEM) и nZnO (3–9nm према TEM). Кристални облик наночестица био је анатаз код nTiO2, док је nZnO био аморфан.
У чашу запремине 250mL која је садржала неколико капи дејонизоване (DI) воде одмерено је 0,1 g праха наночестица. Наночестице су затим промешане шпатулом од нерђајућег челика, а чаша је допуњена DI водом до 200 mL, промешана, а затим ултразвучно обрађена током 60 секунди при амплитуди од 90% ултразвучним процесором компаније Hielscher UP200S , чиме је добијена основна суспензија концентрације 0,5 g/L. Све основне суспензије чуване су најдуже два дана на 4°C.
Препорука уређаја:
UP200S или UP200St
Референца / научни рад:
Petosa, A. R. (2013): Транспорт, таложење и агрегација наночестица металних оксида у засићеним зрнастим порозним срединама: улога хемијског састава воде, површине колектора и облоге честица. Дисертација, McGill University, Монтреал, Квебек, Канада 2013. 111–153.
Кликните овде да сазнате више о ултразвучном дисперговању наночестица!

Таложење наночестица магнетита

Примена ултразвука:
Наночестице магнетита (Fe₃O₄) производе се копреципитацијом воденог раствора гвожђе(III)-хлорид хексахидрата и гвожђе(II)-сулфат хептахидрата са моларним односом Fe3+/Fe2+ = 2:1. Таложење из раствора гвожђа врши се концентрованим амонијум-хидроксидом, односно натријум-хидроксидом. Реакција таложења одвија се под ултразвучним зрачењем, уз довођење реактаната кроз кавитациону зону у комори ултразвучног проточног реактора. Да би се избегао било какав градијент pH, средство за таложење мора се пумпом доводити у вишку. Расподела величине честица магнетита мерена је фотонском корелационом спектроскопијом. Мешање изазвано ултразвуком смањује средњу величину честица са 12–14 nm на око 5–6 nm.
Препорука уређаја:
UIP1000hd са реактором са проточном ћелијом
Референца / научни рад:
Banert, T.; Horst, C.; Kunz, U., Peuker, U. A. (2004): Континуално таложење у ултразвучном проточном реактору на примеру гвожђе(II,III)-оксида. ICVT, TU-Clausthal. Постер представљен на годишњем скупу GVC 2004.
Banert, T.; Brenner, G.; Peuker, U. A. (2006): Радни параметри континуалног сонохемијског реактора за таложење. Зборник радова 5. WCPT, Орландо, Флорида, 23.-27. April 2006.
Кликните овде да сазнате више о ултразвучном таложењу!

Прахови никла

Примена ултразвука:
Припрема суспензије прахова Ni са полиелектролитом при базној pH вредности (ради спречавања растварања и подстицања развоја врста обогаћених NiO на површини), полиелектролитом на акрилној основи и тетраметиламонијум-хидроксидом (TMAH).
Препорука уређаја:
UP200S
Референца / научни рад:
Mora, M.; Lennikov, V.; Amaveda, H.; Angurel, L. A.; de la Fuente, G. F.; Bona, M. T.; Mayoral, C.; Andres, J. M.; Sanchez-Herencia, J. (2009): Израда суперпроводних превлака на структурним керамичким плочицама. Applied Superconductivity 19/ 3, 2009. 3041–3044.

PbS – Синтеза наночестица олово-сулфида

Примена ултразвука:
На собној температури, 0,151 g олово-ацетата (Pb(CH3COO)2.3H2O) и 0,03 g TAA (CH3CSNH2) додато је у 5mL јонске течности, [EMIM] [EtSO4], и 15mL двоструко дестиловане воде у чаши од 50mL, уз излагање ултразвучном зрачењу помоћу уређаја UP200S током 7 минута. Врх ултразвучне сонде/сонотроде S1 уроњен је директно у реакциони раствор. Настала тамносмеђа суспензија центрифугирана је ради издвајања талога и испрана по два пута двоструко дестилованом водом и етанолом ради уклањања неизреагованих реагенаса. Ради испитивања утицаја ултразвука на својства производа, припремљен је још један упоредни узорак, при чему су реакциони параметри задржани непромењени, осим што је производ припремљен уз непрекидно мешање током 24 h без помоћи ултразвучног зрачења.
За припрему наночестица PbS предложена је синтеза потпомогнута ултразвуком у воденом раствору јонске течности на собној температури. Ова еколошки нешкодљива зелена метода на собној температури брза је и не захтева шаблон, чиме се знатно скраћује време синтезе и избегавају сложени поступци синтезе. Тако припремљени нанокластери показују изузетно велики плави помак од 3,86 eV, који се може приписати веома малој величини честица и ефекту квантног ограничења.
Препорука за уређај:
UP200S
Референца/научни рад:
Behboudnia, M.; Habibi-Yangjeh, A.; Jafari-Tarzanag, Y.; Khodayari, A. (2008): Једноставна припрема и карактеризација наночестица PbS на собној температури у воденом раствору [EMIM][EtSO4] јонске течности применом ултразвучног зрачења. Bulletin of Korean Chemical Society 29/ 1, 2008. 53–56.

Пречишћене наноцеви

Примена ултразвука:
Пречишћене наноцеви су затим суспендоване у 1,2-дихлоретану (DCE) соникацијом помоћу ултразвучног уређаја велике снаге UP400S, 400W, 24 kHz) у пулсном режиму (циклуси), чиме је добијена црна суспензија. Снопови агломерисаних наноцеви потом су уклоњени центрифугирањем током 5 минута при 5000 rpm.
Препорука за уређај:
UP400S
Референца/научни рад:
Witte, P. (2008): Амфифилни фулерени за биомедицинске и оптоелектронске примене. Докторска дисертација, Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg 2008.

Композит SAN/CNTs

Примена ултразвука:
За дисперговање CNTs у SAN матрици коришћен је Hielscher UIS250V са сонотродом за соникацију помоћу сонде. Најпре су CNTs дисперговане у 50mL дестиловане воде соникацијом током око 30 минута. Ради стабилизације раствора, додат је SDS у уделу од ~1% раствора. Након тога је добијена водена дисперзија CNTs комбинована са суспензијом полимера и мешана 30 минута механичком мешалицом Heidolph RZR 2051, а затим поново соницирана 30 минута. За анализу су SAN дисперзије са различитим концентрацијама CNTs изливене у тефлонске калупе и сушене на температури околине током 3–4 дана.
Препорука за уређај:
UIS250v
Референца/научни рад:
Bitenieks, J.; Meri, R. M.; Zicans, J.; Maksimovs, R.; Vasile, C.; Musteata, V. E. (2012): Нанокомпозити стирен–акрилат/угљеничне наноцеви: механичка, термичка и електрична својства. У: Proceedings of the Estonian Academy of Sciences 61/ 3, 2012. 172–177.

Нанопрах силицијум-карбида (SiC)

Примена ултразвука:
Нанопрах силицијум-карбида (SiC) деагломерисан је и распоређен у раствору боје у тетрахидрофурану помоћу ултразвучног процесора Hielscher UP200S велике снаге, који ради при густини акустичке снаге од 80 W/cm². Деагломерација SiC је најпре спроведена у чистом растварачу са мало детерџента, а затим су постепено додаване порције боје. Цео процес је трајао 30 минута за узорке припремљене за наношење превлаке потапањем, односно 60 минута за узорке припремљене за сито штампу. Током ултразвучне обраде обезбеђено је одговарајуће хлађење смеше како би се избегло кључање растварача. Након ултразвучне обраде, тетрахидрофуран је испарен у ротационом испаривачу, а смеши је додат учвршћивач како би се постигла одговарајућа вискозност за штампање. Концентрација SiC у добијеном композиту износила је 3% масеног удела у узорцима припремљеним за наношење превлаке потапањем. За сито штампу припремљене су две серије узорака, са садржајем SiC од 1 – 3% масеног удела за прелиминарна испитивања хабања и трења и 1,6 – 2,4% масеног удела за фино подешавање композита на основу резултата испитивања хабања и трења.
Препоручени уређај:
UP200S
Референца/истраживачки рад:
Celichowski G.; Psarski M.; Wiśniewski M. (2009): Еластични затезач предива са дисконтинуалним нанокомпозитним узорком отпорним на хабање. Fibres & Textiles in Eastern Europe 17/ 1, 2009. 91–96.

SWNT једнозидне угљеничне наноцеви

Ултразвучна примена:
Сонохемијска синтеза: 10 mg SWNT и 30ml раствора 2%MCB 10 mg SWNT и 30ml раствора 2%MCB, UP400S Интензитет ултразвучне обраде: 300 W/cm2, трајање ултразвучне обраде: 5h
Препоручени уређај:
UP400S
Референца/истраживачки рад:
Koshio, A.; Yudasaka, M.; Zhang, M.; Iijima, S. (2001): Једноставан начин за хемијско реаговање једнозидних угљеничних наноцеви са органским материјалима применом ултразвучне обраде. Nano Letters 1/ 7, 2001. 361–363.

Тиоловане SWCNT

Ултразвучна примена:
25 mg тиолованих SWCNT (2,1 mmol угљеника) суспендовано је у 50 mL дејонизоване воде помоћу ултразвучног процесора снаге 400W (UP400S). Затим је суспензија додата свеже припремљеном раствору Au(NP), а смеша је мешана 1h. Au(NP)-SWCNT су издвојене микрофилтрацијом (целулозни нитрат) и темељно испране дејонизованом водом. Филтрат је био црвене боје, јер су мале Au(NP) (просечан пречник ≈ 13 nm) могле ефикасно да прођу кроз филтерску мембрану (величина пора 0,2μm).
Препоручени уређај:
UP400S
Референца/истраживачки рад:
Jung, A. (2007): Функционални материјали на бази угљеничних наноцеви. Дисертација Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg 2007.

TiO₂ / перлитни композит

Ултразвучна примена:
Композитни материјали TiO2 /перлит припремљени су на следећи начин. Најпре је 5 mL титанијум-изопропоксида (TIPO), Aldrich 97%, растворено у 40 mL етанола, Carlo Erba, и мешано 30 минута. Затим је додато 5 g перлита, а дисперзија је мешана 60 минута. Смеша је додатно хомогенизована помоћу ултразвучног уређаја са сондом UIP1000hd. Укупно је унета енергија од 1 Wh током 2 минута ултразвучне обраде. На крају је суспензија разблажена етанолом како би се добило 100 mL суспензије, а добијена течност је означена као раствор прекурсора (PS). Припремљени PS био је спреман за обраду у систему за пламенску пиролизу распршивањем.
Препоручени уређај:
UIP1000hd
Референца/истраживачки рад:
Giannouri, M.; Kalampaliki, Th.; Todorova, N.; Giannakopoulou,T.; Boukos, N.; Petrakis, D.; Vaimakis, T.; Trapalis, C. (2013): Једностепена синтеза композита TiO2/перлит пламенском пиролизом распршивањем и њихово фотокаталитичко понашање. International Journal of Photoenergy 2013.

Ултразвук велике снаге који се уводи у течности ствара интензивну кавитацију. Екстремни кавитациони ефекти стварају суспензије финог праха са величинама честица у субмикронском и наноопсегу. Поред тога, површина честица се активира. Удари микромлазева и ударних таласа и судари међу честицама знатно утичу на хемијски састав и физичку морфологију чврстих материја, што може драстично повећати хемијску реактивност и органских полимера и неорганских чврстих материја.

„Екстремни услови унутар мехурића који колабирају стварају високо реактивне хемијске врсте које се могу користити у различите сврхе, на пример, за иницирање полимеризације без додавања иницијатора. Као још један пример, сонохемијско разлагање испарљивих органометалних прекурсора у растварачима са високом тачком кључања производи наноструктурисане материјале у различитим облицима са високом каталитичком активношћу. Наноструктурисани метали, легуре, карбиди и сулфиди, нанометарски колоиди и наноструктурисани катализатори на носачима могу се припремити овим општим поступком.“

[Suslick/ Price 1999: 323]

Литература/Референце

• Suslick, K. S.; Price, G. J. (1999): Примене ултразвука у хемији материјала. Annu. Rev. Mater. Sci. 29, 1999. 295–326.
• Adam K. Budniak, Niall A. Killilea, Szymon J. Zelewski, Mykhailo Sytnyk, Yaron Kauffmann, Yaron Amouyal, Robert Kudrawiec, Wolfgang Heiss, Efrat Lifshitz (2020): Ексфолирани CrPS4 са обећавајућом фотопроводљивошћу. Small том 16, број 1. January 9, 2020.
• Brad W. Zeiger; Kenneth S. Suslick (2011): Сонофрагментација молекулских кристала. J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 37, 14530–14533.
• Poinern G.E., Brundavanam R., Thi-Le X., Djordjevic S., Prokic M., Fawcett D. (2011): Термички и ултразвучни утицај на формирање хидроксиапатитне биокерамике нанометарских димензија. Int J Nanomedicine. 2011; 6: 2083–2095.