Ultrahang alkalmazása nanorészecskék gyártásában - ultrahangos technológia
Az ultrahang alkalmazása a nanoanyagok előállításában
A nagy teljesítményű ultrahangos rezgések a folyadékban, a szilárd anyagok szerkezetén és tulajdonságain, a kémiai reakciók sebességén és minőségén keresztül hatásosan befolyásolják a hő- és tömegátadási folyamatokat. A sonokémia olyan kutatási terület, amely megvizsgálja, hogy a kémiai reakciók milyen hatással vannak az erős ultrahangos sugárzás hatására.
Az ultrahang használata a nanoanyagok előállításában számos pozitív hatással jár. Az első alkalmazási irány az ultrahang alkalmazása a nanorészecskék szintézisében és lerakódásában. A második a nanorészecskék diszperziója egy folyadékban, hogy lebontsa agglomerátumait.
Hivatkozva a kérdés, hogy hogyan az ultrahang sugárzás felbontani a kémiai kötéseket, hogy felgyorsítsa a kémiai reakció és a diffúzió hatékonyan diszpergálja a szilárd anyag a folyadék, és megfontolja az egyedi termékek, amelyek alkalmazásával kapott ultrahangos sugárzás anyagok, különösen a termelés nanoanyagok.
Az ultrahangos sugárzás hatása elsősorban olyan hatás kifejlődésével jár együtt, mint az akusztikus kavitáció, amely az ultrahang terjedése során keletkezik a közegben. Az akusztikus kavitáció hatékony eszköz az alacsony sűrűségű hanghullám energiájának egy nagy energiasűrűségbe történő koncentrálására, amely pulzálásokkal és üreges kavitációs buborékokkal van összefüggésben [1]. A kavitációs buborék kialakulásának általános képét a következő formában mutatjuk be. Az akusztikus hullám folyadékban történő ritkításának fázisában egy üreg formájában alakul ki, amely egy adott folyadék telített gőzével telik. A kompressziós fázisban a megnövekedett nyomás és a felületi feszültség hatása alatt az üreg süllyed, és a gőz a felületen kondenzálódik. Az üreg falain keresztül a folyadékban oldott gáz diffundál be, majd erős adiabatikus tömörítést eredményez [2].
Az összeomlás pillanatában a gáz nyomása és hőmérséklete jelentős értékeket ér el - egyes adatok szerint akár 100 MPa [2] és 5000-25000 K [3] között. A környező folyadék üregének összeomlása után egy gömbös lökéshullám gyorsan terjed, gyorsan lebomlik. Mivel a robbanás kevesebb mint egy nanoszekundum [4,5], a nagyon magas 10 11 K / s hűtési sebesség is elérhetõ. A buborékok robbanásai a folyadékáramok megjelenését is eredményezik, amelyek sebessége eléri a 150 m / s értéket.
Visszatérve a nanoanyagok előállításához, nyilvánvaló, hogy az ilyen hűtési arány megnehezíti a termékek szervezését és kristályosodását. Ezért minden esetben, amikor a reakció gázfázisa dominál (molekuláris prekurzor illékony vegyület), az ultrahangos hatások amorf nanorészecskéket termelnek [3]. Az ilyen körülmények között az amorf reakciótermékek kialakulása érthető, de a nanostrukturált termékek megjelenésének oka nem teljesen világos. Az egyik magyarázat az, hogy a gyors kinetika nem teszi lehetővé a kristályosodás központjainak növekedését - minden egyes felrobbanó buborékban több központ keletkezik, amelynek növekedését hirtelen robbanás korlátozza. Ha a molekuláris prekurzor nem illékony vegyület, akkor a reakció a felszálló buborékot körülvevő 200 nm-es gyűrűben történik [6]. Ebben az esetben a szonokémiai reakció a folyadékfázisban következik be. A reakciótermékek néha nano-amorf részecskék, néha nanokristályosak. Ez attól függ, hogy a hőmérséklet a gyűrűzónában történik, ahol a reakció lejátszódik. A gyűrű hőmérséklete alacsonyabb, mint a felrobbanó buborék belsejében, de magasabb, mint a fő térfogat hőmérséklete. A [6] -ben a gyűrűs régió hőmérsékletét 1900 ° C-ra becsüljük.
Röviden, szinte minden olyan szonokémiai reakció, amely szervetlen termékeket termel, nanoanyagokat eredményezett. Méretük, alakjuk, szerkezetük és szilárd fázisukban különböztek (amorf vagy kristályos), de mindig nanosizáltak [3].
Számos módszert dolgoztak ki a nanorészecskék előállítására. Az anyagtudományra és a nanotechnológiára vonatkozó négy kérdés azonban, amelyekben a szonokémiai módszer alapvető fontosságú más módszerekhez. Ezek a következő négy területek:
· Amorf termékek előállítása. Bár fémüveg lehet öntve állítjuk elő a hideg fém, amikor a fém-oxidokat, a hűtés sebessége szükséges sok-oxidok messze meghaladják azokat, melyek állíthatók elő hideg kioltás. Ezért a keverékhez üvegképző anyagokat adnak amorf termékek előállításához [7,8]. Amikor sonochemical módszerek szintéziséhez használt amorf fém-oxidok (vagy szulfidok és más kalkogenidek), nincs szükség hozzá az ilyen üvegképző és, mint a bónusz, amorf termékeket kapunk nanoméretű.
· Nanoanyagok bevezetése mezopórusos anyagokban. Az ultrahangos hullámokat arra használják, hogy az amorf nanoizáit katalizátorokat mezopórusokká alakítsák [9,10]. Egy részletes tanulmány szerint a nanorészecskék egyenletes réteggel vannak felhordva a mezopórusok belső falain, eltömődésük nélkül. Más módszerekkel, például impregnálással vagy termikus permetezéssel összehasonlítva, a szonokémia jobb tulajdonságokat mutat.
· A nanorészecskék kicsapódása kerámia és polimer felületeken. A Sonochemistry különböző kerámia [11, 12] és polimer anyagok felületén különböző nanoanyagok (fémek, fémoxidok, félvezetők) kicsapására szolgál. Egy egységes, egységes bevonatréteg keletkezik a felületen. A nanorészecskék a felülethez kötődnek kémiai kölcsönhatások kialakításával, és nem öblíthetők le.
· Protein mikro- és nanoszféra létrehozása. Kimutatták, hogy bármilyen fehérje (pl. Poli-glutaminsav) szonikálással alakítható át gömböcsként [13]. Azt is szemléltettük, hogy lehetséges egy gyógyszer, például tetraciklin beillesztése ilyen gömbbe [14]. Tanulmányok kimutatták, hogy a gömb alakú fehérje biológiailag aktív, bár biológiai aktivitása csökken. A sonokémiai gömbölyítés folyamata csak 3 percig tart, ami gyorsabb, mint bármely más [3].
1. ábra 4 kW teljesítményű ultrahangos rendszer: generátor, magnetostrikciós transzducer és cserélhető hullámvezetők.
Mint már említettük, az ultrahang másik alkalmazása diszperzió. A nanoanyagok, például fém-oxidok vagy szén nanocsövek hajlamosak az agglomerációra keverés közben egy folyékony, míg a létrehozását nanoanyagok megköveteli a hatékony diszperziót és így egyenletes eloszlását nanorészecskék folyékony.
Ltd. „Ultrahangos technikával - Inlab” fejleszt és gyárt ultrahangos berendezés a végrehajtása során a fentiekben ismertetett technológiák, amely mint egy speciális, például ultrahangos fizikai-kémiai reaktor (RF szabadalmi № 744.540) és az egyetemes - laboratóriumi ultrahangos eszközök (univerzális ultrahang forrás) , 43785 számú RF szabadalom. Ezek az eszközök felhasználhatók tudományos és laboratóriumi kutatásokban, félig ipari és ipari alkalmazásokban. Annak érdekében, hogy rugalmas alkalmazási mentesül a típusú sorozat laboratóriumi körülmények IL100-6 / 1 kapacitás 630 W IL100-6 / 6 5000 watt. Az installáció laboratóriumi állvány ultrahangos generátort, egy nagy magnetostriktív átalakító erősen és három sugárzók, hullámvezetők (Hub), hogy az adó. Az IL10 ultrahangos generátor sorozatának lépésenkénti beállítása a névleges kimeneti teljesítmény 50% -a, 75% -a, 100% -a. Beállítása a teljesítmény és a rendelkezésre álló teljes három különböző sugárzók, hullámvezetők (a nyereség 1: 0,5, 1: 1 és 1: 2) lehetővé teszi, hogy különböző amplitúdójú ultrahang rezgések a vizsgálati folyadék és elasztikus média, kb, 0-80 mm-es frekvencián 22 kHz.
Az erőteljes ultrahang használata a nanoanyagok előállításában a tudományos kutatások gyorsan fejlődő és ígéretes irányát jelenti, amit az egyre növekvő számú publikáció is alátámaszt. Mint látható, az ultrahangos sugárzás sok esetben jelentős előnyöket nyújt, és néha az egyetlen hatékony megoldás a nanorészecskék szintéziséhez és későbbi alkalmazásához kapcsolódó problémákhoz.