Ultrazvukové homogenizátory: Čarovný kľúč k uvoľneniu disperzie nanomateriálov

Medzi mnohými metódami na riešenie aglomerácie nanomateriálov sa ultrazvukové homogenizátory ukázali ako silný nástroj pre výskumníkov a priemyselných výrobcov. Princíp činnosti ultrazvukových homogenizátorov je založený na sérii fyzikálnych efektov generovaných ultrazvukom v tekutom médiu, predovšetkým vrátane kavitácie a iných fyzikálnych efektov. Tieto efekty pôsobia synergicky, aby sa dosiahla efektívna disperzia nanomateriálov.

 

Kavitácia je základným pracovným mechanizmom ultrazvukových homogenizátorov. Keď sa ultrazvuk šíri v kvapaline, vytvára striedavo oblasti vysokého-tlaku a nízkeho{2}}tlaku. V oblasti nízkeho-tlaku sa vzdialenosť medzi molekulami kvapaliny zväčšuje a vytvárajú sa malé dutiny. Tieto dutiny sa rýchlo rozširujú a vytvárajú kavitačné bubliny. V následnej oblasti vysokého tlaku- sú kavitačné bubliny vystavené intenzívnej kompresii a rýchlo sa zrútia. Tento proces prebieha v extrémne krátkom čase. Okamžitý kolaps kavitačných bublín vytvára lokálne extrémne fyzikálne podmienky, ako sú teploty dosahujúce tisíce stupňov Celzia a tlaky tisícok atmosfér, sprevádzané silnými mikrotryskami a rázovými vlnami s rýchlosťou dosahujúcou 100 m/s. Toto extrémne uvoľnenie energie je dostatočné na rozbitie aglomeračných síl medzi nanomateriálmi, čo spôsobí, že aglomerované nanočastice sa redispergujú.

 

Okrem kavitácie vytvára ultrazvuk rad fyzikálnych efektov, ktoré napomáhajú rozptylu nanomateriálov. Pod vplyvom ultrazvuku dochádza v kvapaline k účinnému miešaniu a prúdeniu. Tento tok umožňuje časté kolízie medzi nanočasticami a medzi nanočasticami a molekulami kvapaliny. Prostredníctvom týchto zrážok, mikrofázového prúdenia a rázových vĺn sa mení povrchová morfológia častíc, čím sa ďalej narúša ich agregovaná štruktúra. Toto mechanické miešanie pomáha rovnomerne rozptýliť nanočastice v kvapalnom médiu, čím zabraňuje ich opätovnému zhlukovaniu. Ultrazvukové vibrácie tiež menia distribúciu náboja na povrchu nanočastíc, zvyšujú elektrostatické odpudzovanie medzi časticami, čím zlepšujú stabilitu disperzného systému nanomateriálov.

 

Jeho aplikácie jasne zažiarili.

V novom energetickom sektore sú lítiové batérie, ako jedno z najpoužívanejších zariadení na uchovávanie energie, kľúčové pre rozvoj priemyselných odvetví, ako sú nové energetické vozidlá a prenosné elektronické zariadenia. Ultrazvukové homogenizačné zariadenie hrá kľúčovú úlohu pri rozptyle materiálov elektród lítiovej batérie, čím sa výrazne zlepšuje výkon batérie.

 

Ultrazvukové homogenizátory možno použiť aj pri príprave elektrolytov lítiových batérií. Použitím ultrazvukovej úpravy sú prísady v elektrolyte rovnomerne rozptýlené, výkon elektrolytu je optimalizovaný a celkový výkon batérie sa ďalej zlepšuje.

 

V biomedicínskej oblasti sú široko používané a majú veľký význam aj ultrazvukové homogenizačné zariadenia, najmä pri príprave nosičov nanomedicíny a biosenzorov.

 

Nanočastice ako nový systém dodávania liekov môžu účinne zlepšiť účinnosť liekov a znížiť toxicitu liekov. Bežné nanočastice zahŕňajú lipozómy, nanočastice a nanomicely. Tieto nosiče typicky zapuzdrujú liečivá v nanorozmerných štruktúrach a potom ich dodávajú na miesto lézie prostredníctvom krvného obehu. Pri príprave nanočastíc môžu ultrazvukové homogenizátory dosiahnuť rovnomerné miešanie a dispergovanie liečiv a nosných materiálov, pričom sa presne kontroluje veľkosť častíc a morfológia nosiča. Ak vezmeme ako príklad prípravu lipozómov, kavitačný účinok ultrazvuku môže spôsobiť, že lipidové materiály, ako sú fosfolipidy, vytvoria vo vodnom roztoku jednotné malé vezikuly, ktoré v nich zapuzdria liečivo. Lipozómy pripravené ultrazvukom majú charakteristiky jednotnej veľkosti častíc a dobrej stability, čo môže zlepšiť účinnosť enkapsulácie liečiv, čo im umožňuje stabilnejšie existovať in vivo, znižuje uvoľňovanie liečiva do necieľových tkanív a dosahuje cielené dodávanie liečiva. Experimentálne údaje ukazujú, že nanočastice pripravené pomocou ultrazvukových homogenizátorov môžu dosiahnuť účinnosť enkapsulácie liečiva nad 80 %, čo je o 20 % až 30 % viac ako pri tradičných metódach prípravy, čo výrazne zlepšuje využitie liečiva.

V oblasti elektronických informácií sú polovodičové materiály a elektronické pasty kľúčovými základnými materiálmi pre výrobu elektronických produktov. Ultrazvukové homogenizačné zariadenie zohráva významnú úlohu pri zlepšovaní rovnomernosti materiálu a výkonu elektronických produktov počas ich prípravy.

 

Elektronické pasty sú zmiešané materiály zložené z kovových práškov, organických nosičov a prísad, ktoré sa bežne používajú pri výrobe dosiek s plošnými spojmi, hrubých{0}}vrstvových integrovaných obvodov a elektronických komponentov. Počas prípravy elektronických pást umožňuje ultrazvukové homogenizačné zariadenie rovnomerné rozptýlenie kovových práškov (ako je strieborný prášok a medený prášok) v organickom nosiči, čím sa zabraňuje aglomerácii. Ak vezmeme ako príklad striebornú pastu, rovnomerne rozptýlený strieborný prášok môže vytvoriť hustejšiu a súvislejšiu vodivú sieť, čím sa zlepší vodivosť a priľnavosť elektronickej pasty. Pri výrobe dosiek plošných spojov výsledkom použitia ultrazvukom homogenizovanej striebornej pasty sú čistejšie obvody, stabilnejšia vodivosť, zníženie otvorených obvodov a skratov a zlepšenie kvality a spoľahlivosti dosiek plošných spojov. Okrem toho môže ultrazvukové homogenizačné zariadenie presne kontrolovať reologické vlastnosti elektronických pást úpravou parametrov procesu, vďaka čomu sú vhodnejšie pre rôzne požiadavky na proces tlače a ďalej zlepšuje presnosť výroby a výkon elektronických produktov.