การบดผงนาโนเทอร์โมอิเล็กทริกด้วยอัลตราซาวนด์

• งานวิจัยแสดงให้เห็นว่าการบดด้วยอัลตราซาวนด์สามารถใช้ผลิตอนุภาคนาโนเทอร์โมอิเล็กทริกได้สำเร็จ และมีศักยภาพในการปรับเปลี่ยนพื้นผิวของอนุภาค
• อนุภาคที่ผ่านการบดด้วยอัลตราซาวนด์ (เช่น โลหะผสมที่มี Bi₂Te₃ เป็นองค์ประกอบหลัก) มีขนาดลดลงอย่างมีนัยสำคัญ และได้อนุภาคนาโนที่มีขนาดเล็กกว่า 10µm
• นอกจากนี้ การใช้คลื่นอัลตราซาวนด์ยังทำให้สัณฐานวิทยาของพื้นผิวอนุภาคเปลี่ยนแปลงอย่างมีนัยสำคัญ จึงช่วยให้สามารถปรับแต่งพื้นผิวของอนุภาคระดับไมโครและนาโนให้มีหมู่ฟังก์ชันได้

อนุภาคนาโนเทอร์โมอิเล็กทริก

วัสดุเทอร์โมอิเล็กทริกเปลี่ยนพลังงานความร้อนเป็นพลังงานไฟฟ้าโดยอาศัยปรากฏการณ์ Seebeck และ Peltier จึงทำให้สามารถนำพลังงานความร้อนที่ใช้งานได้ยากหรือเกือบสูญเสียไปแล้วมาใช้ประโยชน์ได้อย่างมีประสิทธิภาพ เนื่องจากวัสดุเทอร์โมอิเล็กทริกสามารถนำไปใช้ในงานรูปแบบใหม่ เช่น แบตเตอรี่ชีวความร้อน การทำความเย็นด้วยเทอร์โมอิเล็กทริกแบบสถานะของแข็ง อุปกรณ์ออปโตอิเล็กทรอนิกส์ การผลิตพลังงานไฟฟ้าในอวกาศและในยานยนต์ ภาคการวิจัยและภาคอุตสาหกรรมจึงกำลังแสวงหาเทคนิคที่ทำได้ง่ายและรวดเร็วในการผลิตอนุภาคนาโนเทอร์โมอิเล็กทริกที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม ประหยัด และมีความเสถียรที่อุณหภูมิสูง การบดด้วยอัลตราซาวนด์ รวมถึงการสังเคราะห์แบบล่างขึ้นบน (การตกผลึกด้วยอัลตราซาวนด์) เป็นสองแนวทางที่มีศักยภาพสำหรับการผลิตวัสดุนาโนเทอร์โมอิเล็กทริกในปริมาณมากอย่างรวดเร็ว

อุปกรณ์บดด้วยอัลตราซาวนด์

สำหรับการลดขนาดอนุภาคของผง bismuth telluride (Bi₂Te₃), magnesium silicide (Mg₂Si) และ silicon (Si) ใช้ระบบอัลตราซาวนด์ความเข้มสูง UIP1000hdT (1kW, 20kHz) ในชุดทดลองแบบบีกเกอร์เปิด โดยตั้งแอมพลิจูดไว้ที่ 140µm สำหรับการทดลองทั้งหมด ภาชนะบรรจุตัวอย่างได้รับการหล่อเย็นในอ่างน้ำ และควบคุมอุณหภูมิด้วยเทอร์โมคัปเปิล เนื่องจากใช้คลื่นอัลตราซาวนด์ในภาชนะเปิด จึงใช้การหล่อเย็นเพื่อป้องกันการระเหยของสารละลายที่ใช้ในการบด (เช่น ethanol, butanol หรือน้ำ)

(a) แผนภาพชุดทดลอง (b) เครื่องบดด้วยอัลตราซาวนด์ ที่มา: Marquez-Garcia et al. 2015.

การบดด้วยอัลตราซาวนด์เป็นเวลาเพียง 4h สำหรับโลหะผสม Bi₂Te₃ ให้อนุภาคนาโนในปริมาณมากแล้ว โดยมีขนาดระหว่าง 150 และ 400 nm นอกจากการลดขนาดลงสู่ระดับนาโนแล้ว การใช้คลื่นอัลตราซาวนด์ยังทำให้สัณฐานวิทยาของพื้นผิวเปลี่ยนแปลงด้วย ภาพ SEM ในรูปด้านล่าง b, c และ d แสดงให้เห็นว่าขอบที่คมของอนุภาคก่อนการบดด้วยอัลตราซาวนด์กลายเป็นขอบเรียบและมนหลังการบดด้วยอัลตราซาวนด์

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

เพื่อพิจารณาว่าการลดขนาดอนุภาคและการปรับเปลี่ยนพื้นผิวเกิดขึ้นได้เฉพาะจากการบดด้วยอัลตราซาวนด์หรือไม่ จึงดำเนินการทดลองที่คล้ายกันโดยใช้เครื่องบดลูกบอลพลังงานสูง ผลลัพธ์แสดงไว้ในรูปที่ 3 เห็นได้ชัดว่าการบดด้วยลูกบอลเป็นเวลา 48 h (นานกว่าการบดด้วยอัลตราซาวนด์ 12 เท่า) ผลิตอนุภาคขนาด 200–800 nm ภาพ SEM แสดงให้เห็นว่าขอบที่คมของอนุภาคโลหะผสม Bi₂Te₃ ยังคงแทบไม่เปลี่ยนแปลงหลังการบด ผลลัพธ์เหล่านี้บ่งชี้ว่าขอบที่เรียบเป็นลักษณะเฉพาะของการบดด้วยอัลตราซาวนด์ การประหยัดเวลาด้วยการบดด้วยอัลตราซาวนด์ (4 h เทียบกับการบดด้วยลูกบอล 48 h) ก็นับว่าโดดเด่นเช่นกัน

การกระจายขนาดอนุภาคและภาพ SEM ของ Mg2Si ก่อนและหลังการบดด้วยอัลตราซาวนด์ (a) การกระจายขนาดอนุภาค; (b) ภาพ SEM ก่อนการบดด้วยอัลตราซาวนด์; (c) ภาพ SEM หลังการบดด้วยอัลตราซาวนด์ใน 50% PVP–50% EtOH เป็นเวลา 2 h.
ที่มา: Marquez-Garcia et al. 2015.

Marquez-Garcia et al. (2015) สรุปว่าการบดด้วยอัลตราซาวนด์สามารถทำให้ผง Bi₂Te₃ และ Mg₂Si แตกเป็นอนุภาคที่เล็กลง โดยมีขนาดตั้งแต่ 40 ถึง 400 nm ซึ่งแสดงถึงศักยภาพของเทคนิคนี้ในการผลิตอนุภาคนาโนในระดับอุตสาหกรรม เมื่อเปรียบเทียบกับการบดด้วยลูกบอลพลังงานสูง การบดด้วยอัลตราซาวนด์มีลักษณะเฉพาะสองประการ:

1. 1. เกิดช่องว่างในช่วงขนาดอนุภาคที่แยกอนุภาคเดิมออกจากอนุภาคที่ผลิตด้วยการบดด้วยอัลตราซาวนด์; และ
2. 2. พบการเปลี่ยนแปลงอย่างมากของสัณฐานวิทยาของพื้นผิวหลังการบดด้วยอัลตราซาวนด์ ซึ่งบ่งชี้ถึงความเป็นไปได้ในการปรับเปลี่ยนพื้นผิวของอนุภาค

ข้อสรุป

การบดอนุภาคที่แข็งกว่าด้วยอัลตราซาวนด์ต้องใช้คลื่นอัลตราซาวนด์ภายใต้ความดันเพื่อให้เกิดคาวิเทชันที่รุนแรง การใช้คลื่นอัลตราซาวนด์ภายใต้ความดันที่สูงขึ้น (เรียกว่า manosonication) เพิ่มแรงเฉือนและความเค้นที่กระทำต่ออนุภาคอย่างมาก
ชุดอุปกรณ์สำหรับใช้คลื่นอัลตราซาวนด์แบบต่อเนื่องในสายการผลิตรองรับปริมาณอนุภาคที่สูงขึ้น (สลาร์รีที่มีลักษณะคล้ายเพสต์) ซึ่งช่วยให้ผลการบดดีขึ้น เนื่องจากการบดด้วยอัลตราซาวนด์อาศัยการชนกันระหว่างอนุภาค
การใช้คลื่นอัลตราซาวนด์ในชุดอุปกรณ์หมุนเวียนกลับแบบแยกส่วนช่วยให้มั่นใจได้ว่าอนุภาคทั้งหมดได้รับการประมวลผลอย่างสม่ำเสมอ จึงทำให้การกระจายขนาดอนุภาคแคบมาก

ข้อได้เปรียบสำคัญของการบดด้วยอัลตราซาวนด์คือสามารถขยายขนาดเทคโนโลยีนี้เพื่อผลิตในปริมาณมากได้โดยง่าย – ระบบบดด้วยอัลตราซาวนด์กำลังสูงสำหรับอุตสาหกรรมที่มีจำหน่ายในเชิงพาณิชย์สามารถรองรับปริมาณได้สูงถึง 10m³/h.

ข้อดีของการบดด้วยอัลตราซาวนด์

• รวดเร็ว ประหยัดเวลา
• ประหยัดพลังงาน
• ให้ผลลัพธ์ที่ทำซ้ำได้
• ไม่ใช้ตัวกลางในการบด (ไม่มีเม็ดบดหรือลูกบด)
• ต้นทุนการลงทุนต่ำ

เครื่องอัลตราซาวนด์สมรรถนะสูง

การบดด้วยอัลตราซาวนด์ต้องใช้อุปกรณ์อัลตราซาวนด์กำลังสูง แอมพลิจูดสูงและความดันเป็นปัจจัยสำคัญในการสร้างแรงเฉือนจากคาวิเทชันที่รุนแรง เครื่องประมวลผลด้วยอัลตราซาวนด์สำหรับอุตสาหกรรมของ Hielscher Ultrasonics สามารถให้แอมพลิจูดสูงมาก สามารถใช้งานที่แอมพลิจูดสูงถึง 200µm ได้อย่างต่อเนื่องตลอด 24/7 โดยง่าย สำหรับแอมพลิจูดที่สูงกว่านี้ มีโซโนโทรดอัลตราซาวนด์ที่ผลิตตามข้อกำหนดเฉพาะให้เลือกใช้ เมื่อใช้ร่วมกับเครื่องปฏิกรณ์แบบไหลผ่านที่สามารถเพิ่มความดันได้ของ Hielscher จะเกิดคาวิเทชันที่รุนแรงมากจนสามารถเอาชนะแรงยึดเหนี่ยวระหว่างโมเลกุลและให้ผลการบดที่มีประสิทธิภาพ
ความทนทานของอุปกรณ์อัลตราซาวนด์ของ Hielscher ทำให้สามารถทำงานตลอด 24/7 ภายใต้ภาระงานหนักและในสภาพแวดล้อมที่มีข้อเรียกร้องสูง การควบคุมแบบดิจิทัลและการควบคุมระยะไกล รวมถึงการบันทึกข้อมูลโดยอัตโนมัติลงในการ์ด SD ที่ติดตั้งในตัว ช่วยให้มั่นใจได้ถึงการประมวลผลที่แม่นยำ คุณภาพที่ทำซ้ำได้ และช่วยให้สามารถกำหนดมาตรฐานกระบวนการได้

ข้อดีของเครื่องอัลตราซาวนด์สมรรถนะสูงของ Hielscher

• แอมพลิจูดสูงมาก
• ความดันสูง
• กระบวนการต่อเนื่องในสายการผลิต
• อุปกรณ์ทนทาน
• การขยายขนาดแบบเชิงเส้น
• ปลอดภัยและใช้งานง่าย
• ทำความสะอาดง่าย