Termoelektrik nanokukunlarni ultratovush bilan maydalash

• Tadqiqotlar ultratovushli maydalash termoelektrik nanozarrachalarni tayyorlash uchun muvaffaqiyatli qoʻllanishi mumkinligini va zarrachalar sirtini oʻzgartirish imkoniyatiga ega ekanligini koʻrsatdi.
• Ultratovush bilan maydalangan zarrachalar (masalan, Bi₂Te₃ asosidagi qotishma) oʻlchami sezilarli darajada kichraygan va 10µm dan kichik nanozarrachalar hosil boʻlgan.
• Bundan tashqari, ultratovush bilan ishlov berish zarrachalar sirt morfologiyasida sezilarli oʻzgarishlar hosil qiladi va shu orqali mikro- va nanozarrachalar sirtini funksionallashtirish imkonini beradi.

Termoelektrik nanozarrachalar

Termoelektrik materiallar Seebeck va Peltier effektlari asosida issiqlik energiyasini elektr energiyasiga aylantiradi. Shu orqali foydalanish qiyin boʻlgan yoki deyarli yoʻqotilgan issiqlik energiyasini samarali tarzda foydali maqsadlarda ishlatish mumkin boʻladi. Termoelektrik materiallar biotermik batareyalar, qattiq jismli termoelektrik sovitish, optoelektron qurilmalar, kosmosda va avtomobillarda elektr energiyasi ishlab chiqarish kabi yangi qoʻllanish sohalarida ishlatilishi mumkinligi sababli, ilmiy tadqiqotlar va sanoat sohalarida ekologik toza, iqtisodiy jihatdan tejamkor va yuqori haroratda barqaror termoelektrik nanozarrachalarni ishlab chiqarishning sodda va tezkor usullari izlanmoqda. Ultratovushli maydalash hamda quyi darajadagi tarkibiy qismlardan yuqori darajadagi tuzilmalarni hosil qilish sintezi (ultratovushli kristallanish) termoelektrik nanomateriallarni tezkor ommaviy ishlab chiqarishning ikkita istiqbolli yoʻlidir.

Ultratovushli maydalash uskunalari

Vismut tellurid (Bi₂Te₃), magniy silitsid (Mg₂Si) va kremniy (Si) kukunlarining zarracha oʻlchamini kichraytirish uchun yuqori intensivlikdagi ultratovush tizimi UIP1000hdT (1kW, 20kHz) ochiq laboratoriya stakanidan iborat qurilmada ishlatildi. Barcha sinovlarda amplituda 140µm qilib belgilandi. Namuna idishi suv hammomida sovitiladi, harorat termopara yordamida nazorat qilinadi. Ochiq idishda ultratovush bilan ishlov berilgani sababli, maydalash uchun ishlatilgan suyuqliklarning (masalan, etanol, butanol yoki suv) bugʻlanishiga yoʻl qoʻymaslik uchun sovitish qoʻllanildi.

(a) Tajriba qurilmasining sxematik tasviri. (b) Ultratovushli maydalash apparati. manba: Marquez-Garcia et al. 2015.

Atigi 4h davomida ultratovush bilan maydalashning oʻziyoq Bi₂Te₃ qotishmasidan oʻlchami 150 va 400 nm orasida boʻlgan anchagina nanozarrachalarni hosil qildi. Oʻlchamni nanodiapazongacha kichraytirishdan tashqari, ultratovush bilan ishlov berish sirt morfologiyasining oʻzgarishiga ham olib keldi. Quyidagi rasmdagi b, c va d SEM tasvirlari zarrachalarning ultratovushli maydalashdan oldingi oʻtkir qirralari ultratovushli maydalashdan keyin silliq va yumaloq boʻlib qolganini koʻrsatadi.

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 davomida ultratovush bilan maydalashdan keyingi SEM tasviri; d – 8 h davomida ultratovush bilan maydalashdan keyingi SEM tasviri.
manba: Marquez-Garcia et al. 2015.

Zarracha oʻlchamini kichraytirish va sirtni oʻzgartirish faqat ultratovushli maydalash orqali amalga oshirilishini aniqlash uchun yuqori energiyali sharli tegirmon yordamida oʻxshash tajribalar oʻtkazildi. Natijalar 3-rasmda koʻrsatilgan. Koʻrinib turibdiki, 48 h davomida sharli maydalash orqali (ultratovushli maydalashga qaraganda 12 baravar uzoq) 200–800 nm oʻlchamdagi zarrachalar hosil qilingan. SEM tasvirlari Bi₂Te₃ qotishmasi zarrachalarining oʻtkir qirralari maydalashdan keyin asosan oʻzgarmasdan qolishini koʻrsatadi. Bu natijalar silliq qirralar ultratovushli maydalashga xos noyob xususiyat ekanligini koʻrsatadi. Ultratovushli maydalash orqali vaqtni tejash ham diqqatga sazovordir (4 h, sharli maydalashda esa 48 h).

Mg2Si ning ultratovushli maydalashdan oldingi va keyingi zarracha oʻlchamlari taqsimoti va SEM tasvirlari. (a) Zarracha oʻlchamlari taqsimoti; (b) ultratovushli maydalashdan oldingi SEM tasviri; (c) 50% PVP–50% EtOH muhitida 2 h davomida ultratovush bilan maydalashdan keyingi SEM tasviri.
manba: Marquez-Garcia et al. 2015.

Marquez-Garcia et al. (2015) ultratovushli maydalash Bi₂Te₃ va Mg₂Si kukunlarini oʻlchamlari 40 dan 400 nm gacha boʻlgan kichikroq zarrachalarga parchalashi mumkin, degan xulosaga kelishgan; bu nanozarrachalarni sanoat miqyosida ishlab chiqarish uchun istiqbolli usul ekanligidan dalolat beradi. Yuqori energiyali sharli maydalash bilan taqqoslaganda, ultratovushli maydalash ikkita oʻziga xos xususiyatga ega:

1. 1. dastlabki zarrachalarni ultratovushli maydalash orqali hosil qilingan zarrachalardan ajratib turuvchi zarracha oʻlchamlari oraligʻidagi boʻshliqning paydo boʻlishi; va
2. 2. ultratovushli maydalashdan keyin sirt morfologiyasida sezilarli oʻzgarishlar yaqqol koʻrinadi, bu zarrachalar sirtini oʻzgartirish imkoniyati borligini koʻrsatadi.

Xulosa

Qattiqroq zarrachalarni ultratovush bilan maydalash kuchli kavitatsiya hosil qilish uchun bosim ostida ultratovush bilan ishlov berishni talab qiladi. Yuqori bosim ostida ultratovush bilan ishlov berish (manosonikatsiya deb ataladi) siljish kuchlarini va zarrachalarga tushadigan mexanik kuchlanishni keskin oshiradi.
Oqim liniyasida uzluksiz ultratovush bilan ishlov berish qurilmasi zarrachalar yuklamasini oshirishga (pastasimon suspenziya) imkon beradi, bu maydalash natijalarini yaxshilaydi, chunki ultratovushli maydalash zarrachalarning oʻzaro toʻqnashuviga asoslangan.
Alohida retsirkulyatsiya qurilmasida ultratovush bilan ishlov berish barcha zarrachalarga bir xil ishlov berilishini va shu sababli zarracha oʻlchamlarining juda tor taqsimotini taʼminlash imkonini beradi.

Ultratovushli maydalashning katta afzalligi shundaki, bu texnologiyani katta miqdorda ishlab chiqarish uchun osonlik bilan kengaytirish mumkin – bozorda mavjud kuchli sanoat ultratovushli maydalash uskunalari 10m³/h gacha boʻlgan hajmlarga ishlov bera oladi.

Ultratovushli maydalashning afzalliklari

• Tezkor, vaqtni tejaydi
• Energiyani tejaydi
• Takroran olinadigan natijalar
• Maydalash jismlari kerak emas (mayda sharchalar yoki donachalar kerak emas)
• Kam investitsiya xarajati

Yuqori unumdorlikdagi ultratovush qurilmalari

Ultratovushli maydalash yuqori quvvatli ultratovush uskunalarini talab qiladi. Kuchli kavitatsion siljish kuchlarini hosil qilish uchun yuqori amplitudalar va bosim juda muhimdir. Hielscher Ultrasonics sanoat ultratovush protsessorlari juda yuqori amplitudalarni taʼminlay oladi. 200µm gacha boʻlgan amplitudalarda 24/7 rejimida uzluksiz ishlashni osonlik bilan amalga oshirish mumkin. Yanada yuqori amplitudalar uchun buyurtma asosida tayyorlanadigan ultratovush sonotrodlari mavjud. Hielscher kompaniyasining bosim ostida ishlatilishi mumkin boʻlgan oqim reaktorlari bilan birgalikda juda kuchli kavitatsiya hosil qilinadi, buning natijasida molekulalararo bogʻlanishlarni uzish va samarali maydalash taʼsiriga erishish mumkin boʻladi.
Hielscher ultratovush uskunalarining mustahkamligi katta yuklama ostida va murakkab sharoitlarda 24/7 rejimida ishlash imkonini beradi. Raqamli va masofaviy boshqaruv, shuningdek, oʻrnatilgan SD kartaga maʼlumotlarni avtomatik qayd qilish aniq ishlov berishni, takroran taʼminlanadigan sifatni kafolatlaydi va jarayonni standartlashtirish imkonini beradi.

Hielscher yuqori unumdorlikdagi ultratovush qurilmalarining afzalliklari

• juda yuqori amplitudalar
• yuqori bosimlar
• oqim liniyasidagi uzluksiz jarayon
• mustahkam uskunalar
• miqyosni chiziqli oshirish
• xavfsiz va boshqarish oson
• tozalash oson