Застосування ультразвуку при виробництві наноматеріалів
Потужні ультразвукові коливання - засіб активного впливу на тепло- і масообмінних процеси в рідині, на структуру і властивості твердих тіл, на швидкість і якість хімічних реакцій. Сонохімія - дослідницька область, що вивчає те, як відбуваються хімічні реакції під впливом потужного ультразвукового випромінювання.
Застосування ультразвуку при виробництві наноматеріалів забезпечує численні позитивні ефекти. Перший напрямок застосування - це використання ультразвуку при синтезі і осадженні наночастинок. Друге - це розпорошення наночастинок в рідини для руйнування їх агломератів.
Звернемося до питання про те, як ультразвукове випромінювання може розривати хімічні зв'язки, прискорювати хімічні реакції і дифузію, ефективно диспергировать тверді речовини в рідині, а потім розглянемо унікальні продукти, які виходять при використанні ультразвукового випромінювання в матеріалознавстві, зокрема, при виробництві наноматеріалів.
Вплив ультразвукового випромінювання пов'язано, в першу чергу, з розвитком такого ефекту як акустична кавітація, що виникає в середовищі при поширенні ультразвуку. Акустична кавітація є ефективним засобом концентрації енергії звукової хвилі низької щільності в високу щільність енергії, пов'язану з пульсаціями і зачиненням кавітаційних бульбашок [1]. Загальна картина освіти кавітаційного пухирця представляється в наступному вигляді. У фазі розрідження акустичної хвилі в рідині утворюється розрив у вигляді порожнини, яка заповнюється насиченою парою цієї рідини. У фазі стиснення під дією підвищеного тиску і сил поверхневого натягу порожнину закривається, а пара конденсується на кордоні розділу фаз. Через стіни порожнини в неї дифундує розчинений у рідині газ, який потім піддається сильному адіабатичному стиску [2].
У момент схлопування, тиск і температура газу досягають значних величин - за деякими даними до 100 МПа [2] і 5000-25000 К [3]. Після схлопування порожнини в навколишньому рідини поширюється сферична ударна хвиля, швидко загасаюча. Так як вибух відбувається менше, ніж за наносекунду [4,5], при цьому також досягаються дуже високі швидкості охолодження, що перевищують 10 11 К / с. Вибухи бульбашок також призводять до появи в рідини потоків, швидкість яких досягає 150 м / с.
Повертаючись до виробництва наноматеріалів, очевидно, що така швидкість охолодження ускладнює організацію і кристалізацію продуктів. З цієї причини, у всіх випадках, коли газова фаза реакції домінує (молекулярний попередник - летюча з'єднання), під впливом ультразвуку виходять аморфні наночастинки [3]. Формування аморфних продуктів реакції при таких умовах зрозуміло, причина ж виникнення наноструктурованих продуктів не зовсім ясна. Одне з пояснень - це те, що швидка кінетика не дозволяє центрам кристалізації рости - в кожному вибухає бульбашці формується кілька центрів, чий зріст обмежений раптовим вибухом. Якщо молекулярний попередник - нелетку з'єднання, реакція відбувається в 200 нм кільці, навколишньому вибухає пухирець [6]. В цьому випадку сонохіміческая реакція відбувається в рідкій фазі. Продукти реакції - іноді наноаморфние частки, а іноді - нанокристалічні. Це залежить від температури в зоні кільця, де відбувається реакція. Температура в цьому кільці нижче, ніж усередині вибухає бульбашки, але вище, ніж температура основного обсягу. В [6] температура в області кільця оцінена як 1900 ° С.
Якщо коротко, майже в усіх сонохіміческіх реакціях, що дають неорганічні продукти, були отримані наноматеріали. Вони відрізнялися за розміром, формою, структурою і по твердій фазі (аморфної або кристалічної), але завжди були нанорозмірними [3].
Було розроблено безліч методів для отримання наночастинок. Існує, однак, чотири питання, пов'язаних з матеріалознавство і нанотехнологіями, в яких сонохіміческій метод є основним по відношенню до інших методів. Це наступні чотири області:
· Отримання аморфних продуктів. Хоча аморфні метали можуть бути отримані холодної загартуванням металів, коли мова йде про оксиди металів, швидкості охолодження, необхідні для багатьох оксидів, лежать далеко за межами тих, які можуть бути отримані методом холодної гарту. З цієї причини для створення аморфних продуктів в суміш додаються стеклообразующие матеріали [7,8]. Коли сонохіміческіе методи застосовуються для синтезу аморфних оксидів металів (або сульфідів та інших халькогенидов), то немає необхідності додавати подібні склоутворювачами, і, як бонус, аморфні продукти виходять нанорозмірними.
· Введення наноматеріалів в мезопористі матеріали. Ультразвукові хвилі використовуються для введення аморфних нанорозмірних каталізаторів в мезопори [9,10]. Детальне вивчення показує, що наночастинки осідають рівномірним шаром на внутрішніх стінках мезопор, без їх закупорювання. У порівнянні з іншими методами, такими як просочення або термічне напилення, сонохімія показує кращі характеристики.
· Осадження наночастинок на керамічних і полімерних поверхнях. Сонохімія використовується щоб брати в облогу різні наноматеріали (метали, оксиди металів, напівпровідники) на поверхнях керамічних [11, 12] і полімерних матеріалів. На поверхні формується рівномірний однорідний покриває шар. Наночастки прикріплюються до поверхні за допомогою формування хімічних взаємодій з підкладкою і не можуть бути видалені промиванням.
· Створення білкових мікро- і наносфер. Було показано, що будь-який білок (наприклад, полі-глутамінова кислота) може бути перетворений в сферу за допомогою обробки ультразвуком [13]. Було також проілюстровано, що можна инкапсулировать ліки, таке як тетрациклін, в таку сферу [14]. Дослідження показали, що сферичний білок є біологічно активним, хоча його біологічна активність знижується. Процес сонохіміческой Сферизация триває всього 3 хвилини, що швидше, ніж будь-який інший [3].
Малюнок 1. Ультразвукова система потужністю 4 кВт: генератор, магнітострикційний перетворювач і змінні хвилеводи.
Як уже згадувалося, ще одне застосування ультразвуку - диспергування. Наноматеріали, наприклад, оксиди металів або вуглецеві нанотрубки мають тенденцію агломерованої при перемішуванні в рідини, в той час як створення наноматеріалів вимагає ефективного диспергування і отримання рівномірного розподілу наночастинок в рідини.
ТОВ «Ультразвукова техніка - ІНЛАБ» розробляє і виробляє ультразвукове обладнання для здійснення всіх описаних вище технологій, причому як спеціалізоване, наприклад, ультразвуковий фізико-хімічний реактор (патент РФ № 744540), так і універсальне - лабораторні ультразвукові установки (універсальне джерело ультразвукових коливань) , патент РФ № 43785. Дані установки можуть бути використані в наукових і лабораторних дослідженнях, в напівпромисловому і промисловому застосуванні. Для забезпечення гнучкості застосування випускається типоряд лабораторних установок від ІЛ100-6 / 1 потужністю 630 Вт до ІЛ100-6 / 6 потужністю 5000 Вт. Установка складається з лабораторної стійки, ультразвукового генератора, високоефективного високодобротного магнитострикционного перетворювача і трьох хвилеводів-випромінювачів (концентраторів) до перетворювача. Ультразвуковий генератор серії ІЛ10 має ступінчасте регулювання вихідної потужності, 50%, 75%, 100% номінальної вихідної потужності. Регулювання потужності і наявність в комплекті трьох різних хвилеводів-випромінювачів (з коефіцієнтом посилення 1: 0.5, 1: 1 і 1: 2) дозволяє отримати різну амплітуду ультразвукових коливань в досліджуваних рідинах і пружних середовищах, орієнтовно, від 0 до 80 мкм на частоті 22 кГц.
Використання потужного ультразвуку при виробництві наноматеріалів - швидко розвивається і перспективний напрям наукових досліджень, що підтверджується зростанням кількості публікацій з даної тематики. Як було показано, застосування ультразвукового випромінювання у багатьох випадках дає значні переваги, а іноді, є єдиним ефективним рішенням проблем, пов'язаних з синтезом і подальшим застосуванням наночасток.