Sonofragmentatsiya – kuchli ultratovushning zarrachalar parchalanishiga taʼsiri

Sonofragmentatsiya yuqori quvvatli ultratovush yordamida zarrachalarning nanooʻlchamli boʻlaklarga parchalanishini ifodalaydi. Odatdagi ultratovushli deaglomeratsiya va maydalashdan – bunda zarrachalar asosan zarrachalararo toʻqnashuvlar orqali maydalanadi va bir-biridan ajratiladi – farqli ravishda, sonofragmentatsiya zarracha bilan zarba toʻlqini oʻrtasidagi bevosita oʻzaro taʼsir bilan ajralib turadi. Yuqori quvvatli/past chastotali ultratovush kavitatsiyani va shu orqali suyuqliklarda kuchli siljish kuchlarini hosil qiladi. Kavitatsiya pufakchalarining qulab tushishi va zarrachalararo toʻqnashuvlarning ekstremal sharoitlari zarrachalarni juda mayda oʻlchamli materialga aylantiradi.

Nanozarrachalarni ultratovush yordamida ishlab chiqarish va tayyorlash

Nanomateriallar ishlab chiqarishda kuchli ultratovushning taʼsiri yaxshi maʼlum: dispersiyalash, deaglomeratsiya, tegirmonda maydalash va yanchish, shuningdek, ultratovush bilan ishlov berish orqali fragmentatsiyalash yordamida nanozarrachalarga ishlov berish koʻpincha yagona samarali usul hisoblanadi. Bu, ayniqsa, oʻziga xos funksional xususiyatlarga ega juda mayda nanomateriallarga taalluqlidir, chunki nanooʻlchamda zarrachalarning noyob xususiyatlari namoyon boʻladi. Muayyan funksional xususiyatlarga ega nanomaterial yaratish uchun bir tekis va ishonchli ultratovush bilan ishlov berish jarayoni taʼminlanishi kerak. Hielscher laboratoriya miqyosidan toʻliq tijorat ishlab chiqarishi miqyosigacha boʻlgan ultratovush uskunalarini yetkazib beradi.

Kavitatsiya orqali sonofragmentatsiya

Suyuqliklarga kuchli ultratovush kuchlarini kiritish ekstremal sharoitlarni yaratadi. Ultratovush suyuq muhitda tarqalganda, ultratovush toʻlqinlari navbatma-navbat siqilish va siyraklashish sikllarini (yuqori bosim va past bosim sikllarini) hosil qiladi. Past bosim sikllari davomida suyuqlikda kichik vakuum pufakchalari paydo boʻladi. Bu kavitatsiya pufakchalari bir necha past bosim sikli davomida oʻsib, boshqa energiya yuta olmaydigan oʻlchamga yetadi. Yutilgan energiya va pufakcha oʻlchami maksimal boʻlgan ushbu holatda kavitatsiya pufakchasi shiddat bilan qulab tushadi va mahalliy ekstremal sharoitlarni yaratadi. Ichkariga qulab tushadigan kavitatsiya pufakchalari tufayli mahalliy ravishda taxminan 5000K boʻlgan juda yuqori haroratlar va taxminan 2000atm bosimlarga erishiladi. Ichkariga qulab tushish natijasida tezligi 280m/s (≈1000km/h) gacha boʻlgan suyuqlik oqimchalari hosil boʻladi. Sonofragmentatsiya ushbu kuchli kuchlardan foydalanib, zarrachalarni submikron va nano diapazonidagi kichikroq oʻlchamlarga parchalashni ifodalaydi. Ultratovush bilan ishlov berish davom etgani sari zarrachalar shakli qirrali shakldan sferik shaklga oʻtadi, bu esa zarrachalarning qiymatini oshiradi. Sonofragmentatsiya natijalari fragmentatsiya tezligi orqali ifodalanadi; bu tezlik kiritiladigan quvvat, ultratovush bilan ishlov berilgan hajm va aglomeratlar oʻlchamining funksiyasi sifatida tavsiflanadi.
Kusters va boshqalar (1994) ultratovush yordamida aglomeratlarni fragmentatsiyalashni uning energiya sarfi bilan bogʻliq holda oʻrgandilar. Tadqiqotchilarning natijalari „ultratovushli dispersiyalash usuli anʼanaviy yanchish usullari kabi samarali boʻlishi mumkinligini koʻrsatadi. Ultratovushli dispersiyalashning sanoat amaliyoti (masalan, kattaroq zondlar, suspenziyaning uzluksiz oʻtkazilishi) ushbu natijalarni biroz oʻzgartirishi mumkin, biroq umuman olganda, bu maydalash usulini tanlashning sababi solishtirma energiya sarfi emas, balki uning nihoyatda mayda (submikron) zarrachalarni hosil qilish qobiliyati boʻlishi kutiladi.“ [Kusters et al. 1994] Ayniqsa, kremniy dioksidi yoki sirkoniy dioksidi kabi eroziyaga uchraydigan kukunlarda kukun massasining birligiga talab etiladigan solishtirma energiya ultratovushli yanchishda anʼanaviy yanchish usullariga qaraganda kamroq ekani aniqlandi. Ultratovush bilan ishlov berish zarrachalarga nafaqat maydalash va yanchish orqali, balki qattiq jismlarni jilolash orqali ham taʼsir qiladi. Shu orqali zarrachalarning yuqori sferiklik darajasiga erishish mumkin.

Nanomateriallarni kristallash uchun sonofragmentatsiya

„Ultratovush taʼsiriga uchratilgan molekulyar kristallar suspenziyalarida zarrachalararo toʻqnashuvlar yuz berishiga deyarli shubha boʻlmasa-da, ular fragmentatsiyaning asosiy manbai emas. Molekulyar kristallardan farqli ravishda, metall zarrachalar zarba toʻlqinlari bilan bevosita shikastlanmaydi va ularga faqat kuchliroq (ammo ancha kam uchraydigan) zarrachalararo toʻqnashuvlar taʼsir qilishi mumkin. Metall kukunlari va aspirin suspenziyalariga ultratovush bilan ishlov berishdagi asosiy mexanizmlarning oʻzgarishi bolgʻalanuvchan metall zarrachalar bilan moʻrt molekulyar kristallar xususiyatlari oʻrtasidagi farqlarni koʻrsatadi.“ [Zeiger/ Suslick 2011, 14532]

Aspirin zarrachalarining sonofragmentatsiyasi [Zeiger/ Suslick 2011]

Gopi va boshqalar (2008) sonofragmentatsiya yordamida mikrometr oʻlchamli xomashyodan (masalan, 70–80 μm) yuqori tozalikdagi submikrometr oʻlchamli alyuminiy oksidi keramik zarrachalarini (asosan 100 nm dan kichik diapazonda) tayyorlashni oʻrgandilar. Ular sonofragmentatsiya natijasida alyuminiy oksidi keramik zarrachalarining rangi va shaklida sezilarli oʻzgarishlarni kuzatdilar. Yuqori quvvatli ultratovush bilan ishlov berish orqali mikron, submikron va nanooʻlcham diapazonidagi zarrachalarni oson olish mumkin. Akustik maydonda ushlab turish vaqti ortishi bilan zarrachalarning sferiklik darajasi oshdi.

Sirt faol moddada dispersiyalash

Zarrachalar ultratovush yordamida samarali parchalangani sababli, olingan submikron va nanooʻlchamli zarrachalarning deaglomeratsiyasini oldini olish uchun sirt faol moddalardan foydalanish zarur. Zarracha oʻlchami qanchalik kichik boʻlsa, sirt yuzasining aspekt nisbati shunchalik yuqori boʻladi; zarrachalarni suspenziyada saqlash va ularning koagulyatsiyasini (aglomeratsiyasini) oldini olish uchun bu sirt sirt faol modda bilan qoplanishi kerak. Ultratovush bilan ishlov berishning afzalligi uning dispersiyalash taʼsiridadir: yanchish va fragmentatsiyalash bilan bir vaqtda ultratovush maydalangan zarracha boʻlaklarini sirt faol modda bilan dispersiyalaydi, shuning uchun nanozarrachalarning aglomeratsiyasi (deyarli) butunlay oldi olinadi.

Sanoat ishlab chiqarishi

Bozorni ajoyib funksional xususiyatlarni namoyon etadigan yuqori sifatli nanomaterial bilan taʼminlash uchun ishonchli ishlov berish uskunalari talab etiladi. Har bir qurilmasining quvvati 16kW gacha boʻlgan va klasterlarga birlashtirilishi mumkin boʻlgan ultratovush qurilmalari deyarli cheklanmagan hajmdagi oqimlarga ishlov berish imkonini beradi. Ultratovush jarayonlarini toʻliq chiziqli tarzda masshtablash mumkinligi tufayli ultratovush qoʻllanmalarini laboratoriyada xavfsiz sinash, stol usti miqyosida optimallashtirish va keyin ishlab chiqarish liniyasiga muammosiz joriy etish mumkin. Ultratovush uskunalari katta joy talab qilmagani uchun ularni hatto mavjud texnologik oqimlarga ham oʻrnatish mumkin. Ishlatish oson, jarayonni masofadan boshqarish orqali kuzatish va yuritish mumkin, ultratovush tizimiga texnik xizmat koʻrsatish esa deyarli arzimas darajada.

Bi2Te3 asosidagi qotishmaning ultratovushli maydalashdan oldingi va keyingi zarracha oʻlchamlari taqsimoti va SEM tasvirlari. a – Zarracha oʻlchamlari taqsimoti; b – ultratovushli maydalashdan oldingi SEM tasviri; c – 4 h ultratovushli maydalashdan keyingi SEM tasviri; d – 8 h ultratovushli maydalashdan keyingi SEM tasviri.
manba: Marquez-Garcia va boshqalar, 2015.

Adabiyotlar / Manbalar

• 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.