การแตกอนุภาคด้วยอัลตราซาวนด์ – ผลของอัลตราซาวนด์กำลังสูงต่อการแตกของอนุภาค

การแตกอนุภาคด้วยอัลตราซาวนด์หมายถึงการทำให้อนุภาคแตกเป็นชิ้นส่วนขนาดนาโนด้วยอัลตราซาวนด์กำลังสูง ต่างจากการสลายกลุ่มอนุภาคและการบดด้วยอัลตราซาวนด์โดยทั่วไป – ซึ่งอนุภาคถูกบดและแยกออกจากกันเป็นหลักด้วยการชนระหว่างอนุภาค – การแตกอนุภาคด้วยอัลตราซาวนด์มีลักษณะเฉพาะคือปฏิสัมพันธ์โดยตรงระหว่างอนุภาคกับคลื่นกระแทก อัลตราซาวนด์กำลังสูง/ความถี่ต่ำทำให้เกิดคาวิเทชัน และก่อให้เกิดแรงเฉือนรุนแรงในของเหลว สภาวะสุดขั้วจากการยุบตัวของฟองคาวิเทชันและการชนระหว่างอนุภาคบดอนุภาคให้เป็นวัสดุที่มีขนาดละเอียดมาก

การผลิตและการเตรียมอนุภาคนาโนด้วยอัลตราซาวนด์

ผลของอัลตราซาวนด์กำลังสูงในการผลิตวัสดุนาโนเป็นที่ทราบกันดี ได้แก่ การกระจายตัว การสลายกลุ่มอนุภาค และการบด รวมถึงการทำให้แตกด้วยการใช้คลื่นอัลตราซาวนด์ ซึ่งมักเป็นวิธีเดียวที่มีประสิทธิผลในการจัดการกับ อนุภาคนาโน. ที่กล่าวมานี้เป็นจริงโดยเฉพาะสำหรับวัสดุนาโนที่ละเอียดมากและมีสมบัติการทำงานพิเศษ เนื่องจากเมื่ออนุภาคมีขนาดนาโน ลักษณะเฉพาะของอนุภาคจะแสดงออกมา การสร้างวัสดุนาโนที่มีสมบัติการทำงานเฉพาะต้องอาศัยกระบวนการใช้คลื่นอัลตราซาวนด์ที่สม่ำเสมอและเชื่อถือได้ Hielscher จัดหาอุปกรณ์อัลตราซาวนด์ตั้งแต่ระดับห้องปฏิบัติการจนถึงระดับการผลิตเชิงพาณิชย์เต็มรูปแบบ

การแตกอนุภาคด้วยอัลตราซาวนด์ผ่านคาวิเทชัน

การป้อนแรงอัลตราซาวนด์กำลังสูงเข้าสู่ของเหลวก่อให้เกิดสภาวะสุดขั้ว เมื่ออัลตราซาวนด์แพร่ผ่านตัวกลางของเหลว คลื่นอัลตราซาวนด์ทำให้เกิดวัฏจักรการอัดและการขยายตัวสลับกัน (วัฏจักรความดันสูงและความดันต่ำ) ระหว่างวัฏจักรความดันต่ำ จะเกิดฟองสุญญากาศขนาดเล็กในของเหลว ฟอง คาวิเทชัน เหล่านี้เติบโตตลอดวัฏจักรความดันต่ำหลายรอบ จนมีขนาดที่ไม่สามารถดูดซับพลังงานเพิ่มได้อีก ในสภาวะที่พลังงานที่ดูดซับและขนาดฟองมีค่าสูงสุดนี้ ฟองคาวิเทชันจะยุบตัวอย่างรุนแรงและก่อให้เกิดสภาวะสุดขั้วเฉพาะบริเวณ การยุบตัวเข้าด้านในของฟอง คาวิเทชัน ทำให้เกิดอุณหภูมิสูงมากประมาณ 5000K และความดันประมาณ 2000atm เฉพาะบริเวณ การยุบตัวเข้าด้านในทำให้เกิดลำพุ่งของเหลวที่มีความเร็วสูงถึง 280m/s (≈1000km/h) การแตกอนุภาคด้วยอัลตราซาวนด์หมายถึงการใช้แรงรุนแรงเหล่านี้เพื่อทำให้อนุภาคแตกเป็นขนาดเล็กลงในช่วงต่ำกว่าไมครอนและระดับนาโน เมื่อการใช้คลื่นอัลตราซาวนด์ดำเนินต่อไป รูปร่างของอนุภาคจะเปลี่ยนจากเหลี่ยมเป็นทรงกลม ซึ่งทำให้อนุภาคมีมูลค่ามากขึ้น ผลของการแตกอนุภาคด้วยอัลตราซาวนด์แสดงในรูปของอัตราการแตก ซึ่งอธิบายเป็นฟังก์ชันของกำลังที่ป้อนเข้า ปริมาตรที่ได้รับคลื่นอัลตราซาวนด์ และขนาดของกลุ่มอนุภาคที่เกาะรวมกัน
Kusters et al. (1994) ศึกษาการทำให้กลุ่มอนุภาคที่เกาะรวมกันแตกโดยใช้อัลตราซาวนด์ช่วย โดยพิจารณาความสัมพันธ์กับการใช้พลังงาน ผลการศึกษาของนักวิจัย “บ่งชี้ว่าเทคนิคการกระจายตัวด้วยอัลตราซาวนด์สามารถมีประสิทธิภาพเทียบเท่าเทคนิคการบดแบบดั้งเดิม การใช้การกระจายตัวด้วยอัลตราซาวนด์ในทางอุตสาหกรรม (เช่น หัวโพรบที่ใหญ่ขึ้น การป้อนสารแขวนลอยผ่านระบบอย่างต่อเนื่อง) อาจทำให้ผลลัพธ์เหล่านี้เปลี่ยนไปบ้าง แต่โดยรวมคาดว่าการใช้พลังงานจำเพาะไม่ใช่เหตุผลในการเลือกเทคนิคการลดขนาดนี้ หากแต่เป็นความสามารถในการผลิตอนุภาคที่ละเอียดอย่างยิ่ง (ต่ำกว่าไมครอน)” [Kusters et al. 1994] โดยเฉพาะสำหรับผงที่สึกกร่อนได้ เช่น ซิลิกา หรือเซอร์โคเนีย พบว่าพลังงานจำเพาะที่ต้องใช้ต่อหน่วยมวลผงในการบดด้วยอัลตราซาวนด์ต่ำกว่าการบดด้วยวิธีดั้งเดิม การใช้คลื่นอัลตราซาวนด์ส่งผลต่ออนุภาคทั้งผ่านการบดและการขัดผิวของแข็ง จึงสามารถทำให้อนุภาคมีความเป็นทรงกลมสูงได้

การแตกอนุภาคด้วยอัลตราซาวนด์สำหรับการตกผลึกของวัสดุนาโน

“แม้แทบไม่มีข้อสงสัยว่าการชนระหว่างอนุภาคเกิดขึ้นจริงในสารแขวนลอยข้นของผลึกโมเลกุลที่ได้รับคลื่นอัลตราซาวนด์ แต่การชนเหล่านี้ไม่ใช่สาเหตุหลักของการแตก ต่างจากผลึกโมเลกุล อนุภาคโลหะไม่ได้รับความเสียหายโดยตรงจากคลื่นกระแทก และได้รับผลกระทบได้เฉพาะจากการชนระหว่างอนุภาคที่รุนแรงกว่า (แต่เกิดขึ้นน้อยกว่ามาก) การเปลี่ยนแปลงของกลไกหลักในการใช้คลื่นอัลตราซาวนด์กับผงโลหะเมื่อเทียบกับสารแขวนลอยข้นของแอสไพริน ชี้ให้เห็นความแตกต่างด้านสมบัติระหว่างอนุภาคโลหะที่ตีแผ่ได้กับผลึกโมเลกุลที่แตกเป็นชิ้นได้ง่าย” [Zeiger/ Suslick 2011, 14532]

การแตกอนุภาคแอสไพรินด้วยอัลตราซาวนด์ [Zeiger/ Suslick 2011]

Gopi et al. (2008) ศึกษาการผลิตอนุภาคเซรามิกอะลูมินาความบริสุทธิ์สูงขนาดต่ำกว่าไมโครเมตร (ส่วนใหญ่มีขนาดต่ำกว่า 100 nm) จากวัสดุป้อนขนาดไมโครเมตร (เช่น 70–80 μm) โดยใช้การแตกอนุภาคด้วยอัลตราซาวนด์ พวกเขาสังเกตพบการเปลี่ยนแปลงอย่างมีนัยสำคัญของสีและรูปร่างของอนุภาคเซรามิกอะลูมินาอันเป็นผลจากการแตกอนุภาคด้วยอัลตราซาวนด์ การใช้คลื่นอัลตราซาวนด์กำลังสูงสามารถทำให้ได้อนุภาคในช่วงขนาดไมครอน ต่ำกว่าไมครอน และนาโนอย่างง่ายดาย ความเป็นทรงกลมของอนุภาคเพิ่มขึ้นเมื่อระยะเวลาที่อนุภาคอยู่ในสนามเสียงเพิ่มขึ้น

การกระจายตัวในสารลดแรงตึงผิว

เนื่องจากการทำให้อนุภาคแตกด้วยอัลตราซาวนด์มีประสิทธิผล จึงจำเป็นต้องใช้สารลดแรงตึงผิวเพื่อป้องกันการสลายกลุ่มอนุภาคของอนุภาคขนาดต่ำกว่าไมครอนและขนาดนาโนที่ได้ ยิ่งอนุภาคมีขนาดเล็ก อัตราส่วนด้านของพื้นที่ผิวก็ยิ่งสูง โดยต้องเคลือบพื้นที่ผิวด้วยสารลดแรงตึงผิวเพื่อให้อนุภาคยังคงแขวนลอยและหลีกเลี่ยงการจับตัวของอนุภาค (การเกาะรวมกลุ่ม) ข้อดีของการใช้คลื่นอัลตราซาวนด์อยู่ที่ผลในการกระจายตัว กล่าวคือ ขณะที่เกิดการบดและการแตก คลื่นอัลตราซาวนด์จะกระจายชิ้นส่วนอนุภาคที่ผ่านการบดร่วมกับสารลดแรงตึงผิว ทำให้สามารถหลีกเลี่ยงการเกาะรวมกลุ่มของอนุภาคนาโนได้ (เกือบ) อย่างสมบูรณ์

การผลิตระดับอุตสาหกรรม

การจัดหาวัสดุนาโนคุณภาพสูงที่แสดงสมบัติการทำงานอันโดดเด่นให้แก่ตลาดจำเป็นต้องใช้อุปกรณ์แปรรูปที่เชื่อถือได้ เครื่องอัลตราซาวนด์ที่มีกำลังสูงถึง 16kW ต่อเครื่องและสามารถจัดรวมเป็นกลุ่มได้ รองรับการแปรรูปกระแสวัสดุที่มีปริมาตรแทบไม่จำกัด เนื่องจากกระบวนการอัลตราซาวนด์สามารถขยายขนาดได้แบบเชิงเส้นอย่างสมบูรณ์ จึงสามารถทดสอบการประยุกต์ใช้อัลตราซาวนด์ในห้องปฏิบัติการได้โดยปราศจากความเสี่ยง ปรับให้เหมาะสมในระดับเครื่องตั้งโต๊ะ แล้วนำไปใช้ในสายการผลิตได้โดยไม่มีปัญหา เนื่องจากอุปกรณ์อัลตราซาวนด์ไม่ต้องการพื้นที่มาก จึงสามารถติดตั้งเพิ่มเติมในสายกระบวนการที่มีอยู่ได้ การใช้งานทำได้ง่าย และสามารถติดตามและควบคุมการทำงานผ่านระบบควบคุมระยะไกลได้ ขณะที่การบำรุงรักษาระบบอัลตราซาวนด์แทบไม่จำเป็นต้องคำนึงถึง

การกระจายขนาดอนุภาคและภาพ SEM ของโลหะผสมที่มี Bi2Te3 เป็นองค์ประกอบหลัก ก่อนและหลังการบดด้วยอัลตราซาวนด์ a – การกระจายขนาดอนุภาค; b – ภาพ SEM ก่อนการบดด้วยอัลตราซาวนด์; c – ภาพ SEM หลังการบดด้วยอัลตราซาวนด์เป็นเวลา 4 h; d – ภาพ SEM หลังการบดด้วยอัลตราซาวนด์เป็นเวลา 8 h.
แหล่งที่มา: Marquez-Garcia et al. 2015.

เอกสารวิชาการ / เอกสารอ้างอิง

• Ambedkar, B. (2012): Ultrasonic Coal-Wash for De-Ashing and De-Sulfurization: Experimental Investigation and Mechanistic Modeling. Springer, 2012.
• Eder, Rafael J. P.; Schrank, Simone; Besenhard, Maximilian O.; Roblegg, Eva; Gruber-Woelfler, Heidrun; Khinast, Johannes G. (2012): Continuous Sonocrystallization of Acetylsalicylic Acid (ASA): Control of Crystal Size. Crystal Growth & Design 12/10, 2012. 4733-4738.
• Gopi, K. R.; Nagarajan, R. (2008): Advances in Nanoalumina Ceramic Particle Fabrication Using Sonofragmentation. IEEE Transactions on Nanotechnology 7/5, 2008. 532-537.
• Kusters, Karl; Pratsinis, Sotiris E.; Thoma, Steven G.; Smith, Douglas M. (1994): Energy-size reduction laws for ultrasonic fragmentation. Powder Technology 80, 1994. 253-263.
• Zeiger, Brad W.; Suslick, Kenneth S. (2011): Sonofragementation of Molecular Crystals. Journal of the American Chemical Society. 2011.