Aplicarea ultrasunetelor în producția de nanomateriale
De mare putere vibrații ultrasonice - mijloace de influență activă a proceselor de transfer de masă și căldură în lichid, structura și proprietățile solidelor, asupra vitezei și calității reacțiilor chimice.
Sonochimia este un domeniu de cercetare care studiază modul în care reacțiile chimice apar sub influența radiațiilor ultrasonice puternice.
Utilizarea ultrasunetelor în producția de nanomateriale oferă numeroase efecte pozitive. Prima direcție de aplicare este utilizarea ultrasunetelor în sinteza și depunerea nanoparticulelor. A doua este dispersia nanoparticulelor într-un lichid pentru a le descompune aglomeratele.
Referindu-se la problema modului radiației ultrasunete poate rupe legăturile chimice, pentru a accelera reacția chimică și difuzie a dispersa în mod eficient solidele în lichid, și apoi ia în considerare produsele unice care sunt obținute prin utilizarea radiației ultrasunete în materiale, în special în producția de nanomateriale.
Impactul radiațiilor cu ultrasunete este asociat în principal cu dezvoltarea unui astfel de efect ca cavitatie acustice care apar în mediul în propagarea ultrasunete. cavitație acustică este un mijloc eficient de concentrare acustică a energiei valurilor de densitate joasă densitate mare de energie, precum și fluctuațiile asociate cu colapsul de bule de cavitație [1]. Imaginea generală a formării unui balon de cavitație este prezentată în următoarea formă. In faza a undei acustice de expansiune în diferența de fluid este formată dintr-o cavitate care este umplută cu vapori saturați a lichidului. În faza de compresie sub influența forțelor de presiune și tensionare superioară, cavitatea este blocată, iar vaporii se condensează la interfață. Prin pereții cavității, un gaz dizolvat în lichid difuzează în el, care apoi suferă o comprimare adiabatică puternică [2].
În momentul prăbușirii, presiunea și temperatura gazului ating valori semnificative - conform unor date de până la 100 MPa [2] și 5000-25000 K [3]. După prăbușirea cavității în lichidul din jur, o undă de șoc sferică se răspândește rapid, se descompune rapid. Deoarece explozia are loc mai puțin de o nanosecundă [4,5], sunt obținute și rate de răcire foarte ridicate care depășesc 10 11 K / s. Exploziile de bule duc, de asemenea, la apariția în fluxurile de lichid, a căror viteză atinge 150 m / s.
Revenind la producția de nanomateriale, este evident că o astfel de rată de răcire face dificilă organizarea și cristalizarea produselor. Din acest motiv, în toate cazurile în care reacția în fază gazoasă este dominant (precursor molecular - un compus volatil) sub influența ultrasunetelor obținute nanoparticule amorfe [3]. Formarea produsului de reacție amorf în asemenea condiții este clar, cauza apariției produselor nanostructurate nu este foarte clar. O explicație - este faptul că cinetica rapidă nu permite centrelor de cristalizare cresc - fiecare balon explodează format mai multe centre a căror creștere este limitată de o explozie bruscă. Dacă precursorul molecular este un compus nevolatil, reacția are loc într-un inel de 200 nm care înconjoară bulele explozive [6]. În acest caz, reacția sono-chimică are loc în faza lichidă. Produsele de reacție sunt uneori particule nanoamorfe și uneori nanocristaline. Aceasta depinde de temperatura din zona inelului în care are loc reacția. Temperatura din acest inel este mai mică decât în interiorul bulelor explodate, dar este mai mare decât temperatura volumului principal. În [6], temperatura în regiunea inelului a fost estimată la 1900 ° C.
Pe scurt, aproape toate reacțiile sonochemice care produc produse anorganice au produs nanomateriale. Ele diferă în dimensiune, formă, structură și într-o fază solidă (amorfă sau cristalină), dar au fost întotdeauna nanosizate [3].
Au fost dezvoltate numeroase metode pentru producerea nanoparticulelor. Cu toate acestea, există patru aspecte legate de știința materialelor și nanotehnologia, în care metoda sonochemică este fundamentală pentru alte metode. Acestea sunt următoarele patru domenii:
· Prepararea produselor amorfe. Deși metalele amorfe pot fi preparate prin stingerea metalului rece atunci când vine vorba de oxizi metalici, viteza de răcire necesară pentru mulți oxizi sunt mult dincolo de cele care ar putea fi produse de stingerea rece. Din acest motiv, la amestec se adaugă materiale care formează sticlă pentru a crea produse amorfe [7,8]. Atunci când metodele sonochimice utilizate pentru sinteza oxizilor metalici (amorfe sau sulfurilor și alte calcogenuri), nu este necesar să adăugați astfel sticloase și, ca bonus, produsele amorfe se obțin nanoscala.
· Introducerea nanomaterialelor în materialele mezoporoase. Undele ultrasonice sunt folosite pentru a introduce catalizatori amorfici nanoza în mesopori [9,10]. Un studiu detaliat arată că nanoparticulele sunt depuse printr-un strat uniform pe pereții interiori ai mezoporilor, fără înfundarea lor. În comparație cu alte metode, cum ar fi impregnarea sau pulverizarea termică, sonochimia prezintă caracteristici mai bune.
· Precipitarea nanoparticulelor pe suprafețe ceramice și polimerice. Sonochemistry folosit pentru a depune o varietate de nanomateriale (metale, oxizi metalici, semiconductori) pe suprafețe ceramice [11, 12] și materiale polimerice. Se formează un strat uniform de acoperire uniform pe suprafață. Nanoparticulele se atașează la suprafață prin formarea de interacțiuni chimice cu substratul și nu pot fi îndepărtate prin clătire.
· Crearea de micro- și nanosferice de proteine. Sa demonstrat că orice proteină (de exemplu acidul poliglutamic) poate fi transformată într-o sferă prin sonicare [13]. De asemenea, a fost ilustrat faptul că este posibilă încapsularea unui medicament, cum ar fi tetraciclina, într-o astfel de sferă [14]. Studiile au arătat că proteina sferică este activă din punct de vedere biologic, deși activitatea biologică este redusă. Procesul de sherizare sono-chimică durează doar 3 minute, ceea ce este mai rapid decât oricare altul [3].
Figura 1. Sistem ultrasonic cu o putere de 4 kW: generator, traductor magnetostrictiv și ghiduri de undă înlocuibile.
După cum sa menționat deja, o altă aplicație a ultrasunetelor este dispersia. Nanomaterialele, de exemplu, oxizi metalici sau nanotuburi de carbon tind să se aglomereze, cu agitare, într-un lichid, în timp ce crearea de nanomateriale necesită dispersia eficientă și pentru a obține o distribuție uniformă a nanoparticulelor într-un lichid.
Ltd. „cu ultrasunete tehnica - inLab“ dezvolta si produce echipamente cu ultrasunete pentru implementarea tuturor tehnologiilor descrise mai sus, care, după cum (№ patent RF 744540) a, de exemplu, cu ultrasunete reactor fizico-chimice specializate și universale - dispozitive de laborator cu ultrasunete (sursa ultrasunetelor universal) , Brevet RF nr. 43785. Aceste dispozitive pot fi utilizate în cercetarea științifică și de laborator, în aplicații semi-industriale și industriale. Pentru a asigura flexibilitatea utilizării, se fabrică o serie de echipamente de laborator de la IL100-6 / 1 cu o capacitate de 630 W la IL100-6 / 6 cu o putere de 5000 W. Instalația constă din bare de laborator generatorului de ultrasunete, un traductor de mare magnetostrictive înalt și trei emițătoare, waveguides (Hub) la transmițător. Seria de generatoare cu ultrasunete IL10 are o ajustare pas cu pas a puterii de ieșire, 50%, 75%, 100% din puterea nominală de ieșire. Reglarea puterii și disponibilității complete, trei emițătoare diferite, waveguides (cu un câștig de 1: 0,5, 1: 1 și 1: 2) permite obținerea diferite amplitudinii oscilațiilor ultrasonice în fluidele de testare și mediile elastice, aproximativ, la 0 la 80 mm, la o frecvență de 22 kHz.
Utilizarea ultrasunetelor puternice în producția de nanomateriale este o direcție în dezvoltare rapidă și promițătoare a cercetării științifice, fapt confirmat de numărul tot mai mare de publicații pe această temă. Așa cum sa arătat, aplicarea radiației cu ultrasunete, în multe cazuri, oferă avantaje semnificative și uneori singura soluție eficientă la problemele asociate cu sinteza și aplicarea ulterioară a nanoparticulelor.
Articole similare
-
Descrierea tijei de sârmă din oțel, producție, aplicare, amp - furnizare complexă
-
Experiență în aplicarea cantoplastiei medii modernizate în sindromul ocular brachycephalic
Trimiteți-le prietenilor: