Приложение на ултразвукова сонохимия в подготовката на наноматериали
Ефект на кавитация
Високочестотните вибрации, генерирани чрез разпространение на ултразвук в течност, водят до кавитация, образувайки мехурчета с микронен размер, които бързо се свиват, освобождавайки локализирани прекомерни температури и налягания. Тази агресивна среда ускорява химичните реакции, докато произтичащите от това микроструи насърчават дисперсията на наночастиците и предотвратяват агломерацията.
Синергичен ефект от механични и термични ефекти
Механичните вибрации на ултразвука повишават ефективността на смесване на реагентите, докато топлината, генерирана чрез кавитация, намалява активиращата способност на реакцията. Например, при ултразвуково-асистирана редукция в течна фаза, металните соли бързо се редуцират до метални наночастици под въздействието на кавитация, което води до по-равномерно разпределение на частиците.
В момента специалните области на ултразвуковата сонохимия се използват в синтеза на редица наномащабни материали: стоманени сплави, оксиди, сулфиди, въглеродни материали, биоматериали и др.
Да вземем за пример поликристалния силиций:
- Високоефективна дисперсия и по-добър масопренос: Ултразвуковите вълни генерират кавитационни мехурчета в течни среди чрез високочестотни вибрации. Локализираната среда с висока температура и високо налягане, създадена при смачкване на мехурчетата, успешно разрушава агломерацията на частиците. В етапа на синтез на поликристален силиций, това въздействие ускорява метода на превключване на масата при реакцията на разлагане на силана, увеличавайки заряда за отлагане на поликристален силиций с повече от 30%, като същевременно потиска образуването на странични продукти от аморфен силиций и драстично повишава чистотата на кристала.
- Оптимизация на цялостната производителност на материалите: При процесите на химическо ецване или почистване, кавитационното въздействие подобрява еднородността на реакцията, намалява микропукнатините и увреждащите слоеве върху повърхността на силициевите пластини, като по този начин повишава ефективността на фотоелектрическото преобразуване на фотоволтаичните клетки. При подготовката на наноматериали, ултразвуковата енергия може точно да управлява измерването и разпределението на наносилициеви частици, потискайки агломерацията и осигурявайки тяхната проводимост и стабилност в електродни суспензии или композитни материали.
- Ефективност на процеса и намаляване на стойността: Високата ефективност на ултразвуковата сонохимия едновременно скъсява производствения цикъл. Традиционните техники за почистване или ецване, които отнемат няколко часа, могат да бъдат съкратени до десетки минути с ултразвукова помощ, намалявайки разхода на якост с повече от 40%. При приготвянето на паста, бързата му дисперсионна функция подобрява течливостта и разпределението на частиците на сребърната или алуминиевата паста, намалява дефектите при печат и подобрява проводимостта на електродите. Освен това, устройството значително намалява разходите за екологични реагенти чрез минимизиране на използването на химически реактиви и изхвърлянето на отпадъчни води.
Ултразвуковата сонохимия FUNSONIC постига повече от едно предимство в практиката на поликристалния силиций чрез екологично чиста дисперсия, подобряване на кавитацията и специфичен контрол, като например разширени свойства на материала, оптимизирана ефективност на системата и намалени екологични разходи. Тя разкрива специални предимства, по-специално при синтеза, дисперсията и функционализацията на наночастици. С непрекъснатото технологично развитие и оптимизация на устройствата, потенциалът на приложението ѝ в новата енергия, опазването на околната среда и биомедицината ще се разшири още повече.