Исследователи Сибирского федерального университета разработали рекомендации, которые помогут сделать процессы ультразвукового диспергирования более эффективными и предсказуемыми. Работа посвящена изучению кавитации — физического явления, благодаря которому твёрдые материалы можно измельчать до наномасштаба прямо в жидкой среде.
Полученные результаты могут стать основой для создания экологичных и экономически выгодных технологий производства наноматериалов, востребованных в медицине, промышленности и пищевой отрасли.
Когда пузырьки становятся источником энергии
Кавитация возникает в жидкости под воздействием ультразвука. В этот момент образуются микроскопические пузырьки, которые затем стремительно схлопываются. Несмотря на крошечные размеры, такие процессы сопровождаются экстремальными условиями: локально возникают очень высокие температуры, давление и мощные гидравлические удары.
Высвобождаемая энергия способна разрушать и измельчать частицы материалов, превращая их в тонкодисперсные системы — суспензии, эмульсии, аэрозоли и порошки. Именно поэтому технология давно используется в различных сферах — от очистки поверхностей до производства лекарственных препаратов.
Как найти оптимальные условия
Чтобы определить параметры, при которых кавитация работает наиболее эффективно, специалисты СФУ провели серию экспериментов в ультразвуковых ваннах. Для оценки интенсивности процесса использовали простой, но информативный метод — анализ эрозии алюминиевой фольги под воздействием ультразвука.
Исследование показало, что на результат влияет сразу несколько факторов. Среди них — мощность и частота ультразвуковых волн, температура жидкости, продолжительность обработки, свойства растворителей и даже материал ёмкости, в которой проводится процесс.
По словам профессора кафедры физической и неорганической химии Института цветных металлов СФУ Светланы Сайковой, эффективность кавитации определяется не только характеристиками оборудования, но и особенностями самой среды, где происходит обработка.
Температура и форма сосуда имеют значение
Учёные выяснили, что наиболее благоприятные условия для развития кавитации создаются при температурах от 15 до 25 градусов Цельсия либо при нагреве выше 60 градусов.
Неожиданно важным фактором оказалась и конструкция реактора. Лучшие результаты продемонстрировали тонкостенные стеклянные сосуды, которые обеспечивают более эффективную передачу ультразвуковой энергии.
Кроме того, исследователи обнаружили, что внутри ёмкости кавитация распределяется неравномерно. Для поиска наиболее активных зон были построены специальные тепловые карты, позволяющие определить участки максимального воздействия ультразвука.
От молока до высоких технологий
Сегодня ультразвуковая кавитация уже активно применяется в различных отраслях. В пищевой промышленности её используют для обработки молока, пастеризации продуктов и подготовки воды. В медицине технология помогает при создании лекарственных форм, а в промышленности — при очистке поверхностей и сточных вод.
Как отмечает аспирант Института цветных металлов СФУ Антон Кроликов, накопленный опыт позволяет значительно расширить область применения метода.
По мнению исследователей, ультразвуковое диспергирование способно стать одним из перспективных инструментов современной нанотехнологии. Такой подход позволяет получать наночастицы непосредственно в жидкой среде, а сами производственные процессы легко масштабировать для промышленного использования.
Основа для будущих разработок
Авторы исследования подчёркивают, что их работа формирует научную базу для более точного контроля кавитационных процессов. Разработанные рекомендации помогут повысить воспроизводимость экспериментов и подобрать оптимальные условия для получения наноматериалов с заданными свойствами.
В перспективе это позволит создавать новые материалы быстрее, дешевле и с меньшим воздействием на окружающую среду, что особенно важно для развития современных высокотехнологичных производств.
Источник: Поиск