Sonofragmantasyon – Güç Ultrasonunun Parçacık Kırılması Üzerindeki Etkisi

Sonofragmantasyon, parçacıkların yüksek güçlü ultrason ile nano boyutlu parçalara kırılmasını tanımlar. Parçacıkların esas olarak parçacıklar arası çarpışmalarla öğütüldüğü ve birbirinden ayrıldığı yaygın ultrasonik deaglomerasyon ve öğütme işlemlerinin aksine, sonofragmantasyon parçacık ile şok dalgası arasındaki doğrudan etkileşimle ayırt edilir. Yüksek güçlü / düşük frekanslı ultrason, sıvılarda kavitasyon ve dolayısıyla yoğun kesme kuvvetleri oluşturur. Kavitasyon kabarcıklarının çökmesi ve parçacıklar arası çarpışmalar sırasında oluşan aşırı koşullar, parçacıkları çok ince boyutlu malzemeye dönüştürecek şekilde öğütür.

Nanoparçacıkların Ultrasonik Üretimi ve Hazırlanması

Güç ultrasonunun nano malzemelerin üretimindeki etkileri iyi bilinmektedir: Dispersiyon, deaglomerasyon ve öğütmenin yanı sıra sonikasyonla parçalama, çoğu zaman nanoparçacıkları işlemek için tek etkili yöntemdir. Bu durum, özellikle özel işlevsel özelliklere sahip çok ince nano malzemeler söz konusu olduğunda geçerlidir; çünkü nano boyutta benzersiz parçacık özellikleri ortaya çıkar. Belirli işlevsel özelliklere sahip nano malzemeler oluşturmak için eşit ve güvenilir bir sonikasyon süreci sağlanmalıdır. Hielscher, laboratuvar ölçeğinden tam ticari üretim ölçeğine kadar ultrasonik ekipman tedarik eder.

Kavitasyon Yoluyla Sonofragmantasyon

Güçlü ultrasonik kuvvetlerin sıvılara uygulanması aşırı koşullar oluşturur. Ultrason sıvı bir ortamda yayıldığında, ultrasonik dalgalar dönüşümlü sıkışma ve seyrelme döngülerine (yüksek basınç ve düşük basınç döngülerine) yol açar. Düşük basınç döngüleri sırasında sıvıda küçük vakum kabarcıkları oluşur. Bu kavitasyon kabarcıkları, daha fazla enerji soğuramayacakları bir boyuta ulaşana kadar birkaç düşük basınç döngüsü boyunca büyür. Soğurulan enerjinin ve kabarcık boyutunun maksimuma ulaştığı bu durumda, kavitasyon kabarcığı şiddetle çöker ve yerel olarak aşırı koşullar oluşturur. Yerel olarak kavitasyon kabarcıklarının içe çökmesi nedeniyle yaklaşık 5000K gibi çok yüksek sıcaklıklara ve yaklaşık 2000atm basınçlara ulaşılır. İçe çökme, hızı 280m/s (≈1000km/h) değerine kadar ulaşan sıvı jetleri oluşturur. Sonofragmantasyon, parçacıkları mikron altı ve nano aralıkta daha küçük boyutlara parçalamak için bu yoğun kuvvetlerin kullanılmasını tanımlar. Sonikasyon ilerledikçe parçacıkların şekli köşeliden küresele dönüşür ve bu da parçacıkları daha değerli hâle getirir. Sonofragmantasyonun sonuçları, güç girdisinin, sonikasyona tabi tutulan hacmin ve aglomeraların boyutunun bir fonksiyonu olarak tanımlanan parçalanma hızıyla ifade edilir.
Kusters et al. (1994), aglomeraların ultrason destekli parçalanmasını enerji tüketimiyle ilişkili olarak araştırmıştır. Araştırmacıların sonuçları, “ultrasonik dispersiyon tekniğinin geleneksel öğütme teknikleri kadar verimli olabileceğini göstermektedir. Ultrasonik dispersiyonun endüstriyel uygulamaları (örneğin daha büyük problar, süspansiyonun sürekli işlenmesi) bu sonuçları bir ölçüde değiştirebilir; ancak genel olarak, bu boyut küçültme tekniğinin seçilme nedeninin özgül enerji tüketimi değil, son derece ince (mikron altı) parçacıklar üretme yeteneği olması beklenmektedir.” [Kusters et al. 1994] Özellikle silika veya zirkonya gibi aşınarak küçülen tozlarda, birim toz kütlesi başına gereken özgül enerjinin ultrasonik öğütmede geleneksel öğütme yöntemlerine kıyasla daha düşük olduğu bulunmuştur. Ultrasonikasyon, parçacıkları yalnızca öğüterek değil, katıları parlatarak da etkiler. Böylece parçacıklarda yüksek küresellik elde edilebilir.

Nanomalzemelerin Kristalizasyonu İçin Sonofragmantasyon

“Ultrasona maruz bırakılan moleküler kristal bulamaçlarında parçacıklar arası çarpışmaların gerçekleştiğine dair pek az şüphe olsa da bunlar parçalanmanın baskın kaynağı değildir. Moleküler kristallerin aksine, metal parçacıklar şok dalgalarından doğrudan zarar görmez ve yalnızca daha yoğun (ancak çok daha seyrek) parçacıklar arası çarpışmalardan etkilenebilir. Metal tozlarının sonikasyonunda aspirin bulamaçlarının sonikasyonuna kıyasla baskın mekanizmaların değişmesi, şekillendirilebilir metal parçacıklar ile kolay ufalanan moleküler kristallerin özellikleri arasındaki farkları ortaya koymaktadır.” [Zeiger/ Suslick 2011, 14532]

Aspirin parçacıklarının sonofragmantasyonu [Zeiger/ Suslick 2011]

Gopi et al. (2008), sonofragmantasyon kullanarak mikrometre boyutundaki besleme malzemesinden (örneğin 70–80 μm) yüksek saflıkta, mikrometre altı boyutta alümina seramik parçacıklarının (ağırlıklı olarak 100 nm altındaki aralıkta) üretimini araştırmıştır. Sonofragmantasyon sonucunda alümina seramik parçacıklarının renginde ve şeklinde önemli bir değişiklik gözlemlemişlerdir. Yüksek güçlü sonikasyon ile mikron, mikron altı ve nano boyut aralıklarında parçacıklar kolaylıkla elde edilebilir. Akustik alandaki kalış süresi arttıkça parçacıkların küreselliği artmıştır.

Yüzey Aktif Madde İçinde Dispersiyon

Etkili ultrasonik parçacık kırılması nedeniyle, elde edilen mikron altı ve nano boyutlu parçacıkların deaglomerasyonunu önlemek için yüzey aktif maddelerin kullanılması zorunludur. Parçacık boyutu küçüldükçe yüzey alanının en-boy oranı artar; parçacıkları süspansiyon hâlinde tutmak ve parçacıkların koagülasyonunu (aglomerasyonunu) önlemek için bu yüzey alanının yüzey aktif maddeyle kaplanması gerekir. Ultrasonikasyonun avantajı, dispersiyon etkisinde yatar: Öğütme ve parçalama ile eş zamanlı olarak ultrason, öğütülen parçacık parçalarını yüzey aktif maddeyle disperse etmiş ve böylece nanoparçacıkların aglomerasyonu (neredeyse) tamamen önlenmiştir.

Endüstriyel Üretim

Piyasaya olağanüstü işlevsel özellikler sergileyen yüksek kaliteli nano malzemeler sunmak için güvenilir işleme ekipmanı gerekir. Birim başına 16kW’a kadar güce sahip ve kümeler hâlinde birleştirilebilen sonikatörler, neredeyse sınırsız hacimsel akışların işlenmesine olanak tanır. Ultrasonik süreçlerin tamamen doğrusal ölçeklenebilirliği sayesinde, ultrasonik uygulamalar laboratuvarda risksiz olarak test edilebilir, tezgâh üstü ölçekte optimize edilebilir ve ardından üretim hattına sorunsuz biçimde uygulanabilir. Ultrasonik ekipman geniş bir alan gerektirmediği için mevcut proses akışlarına sonradan da entegre edilebilir. Kullanımı kolaydır ve uzaktan kumandayla izlenip çalıştırılabilir; ultrasonik bir sistemin bakım gereksinimi ise neredeyse ihmal edilebilir düzeydedir.

Bi2Te3 esaslı alaşımın ultrasonik öğütme öncesi ve sonrasındaki parçacık boyutu dağılımı ve SEM görüntüleri. a – Parçacık boyutu dağılımı; b – Ultrasonik öğütme öncesindeki SEM görüntüsü; c – 4 h ultrasonik öğütme sonrasındaki SEM görüntüsü; d – 8 h ultrasonik öğütme sonrasındaki SEM görüntüsü.
kaynak: Marquez-Garcia et al. 2015.

Literatür / Kaynaklar

• 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.