Materialherstellung Hochintensiver Ultraschall in der Nanotechnologie

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Ob in der Chemie-, Pharma-, Kosmetik-, Farb-, Beschichtungs- oder Textilindustrie: die Größe von Partikeln und Tröpfchen spielt eine entscheidende Rolle bei Materialeigenschaften und Produktqualität.

Liegen Partikel in Nanogröße vor, weisen diese einzigartige Eigenschaften auf, beispielsweise außerordentliche Härte, Zugfestigkeit, spezielle optische Eigenschaften, Fluoreszenz oder Superparamagnetismus. Hochintensive Ultraschallwellen werden erfolgreich eingesetzt, um solche High-Performance-Materialien herzustellen. Oftmals ist Ultraschall sogar die einzige Methode, mit der diese Hochleistungsmaterialien erzeugt werden können.

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Mittels Ultraschall zur Nanogröße

Ultraschall ist als Schallwellen definiert, welche über der Wahrnehmung des menschlichen Gehörs, das heisst über der Frequenz von 16 kHz liegen. Um Ultraschall und seine Anwendungsbereiche genauer differenzieren zu können, werden drei Frequenzbereiche unterschieden:

• hochintensiver Ultraschall (10 bis 1000W/cm2) mit niedrigen Frequenzen (16 bis 100 kHz)

• intensiver Ultraschall (<1W/cm2) mit hohen Frequenzen (100kHz bis 1MHz)

• diagnostischer/ bildgebender Ultraschall (1–10 MHz)

Für den Einsatz in der Nanotechnologie und die entsprechenden Flüssigkeitsanwendungen der Nano-Vermahlung, Nano-Dispersionen sowie Nano-Emulsionen - wird niederfrequenter, hochintensiver Ultraschall eingesetzt. Das Wirkprinzip von Hochleistungs-Ultraschall basiert auf ultraschall-generierter Kavitation: Werden hochintensive Ultraschallschwingungen in Flüssigkeiten eingetragen, so wird dabei Ultraschallkavitation erzeugt.

Durch die Schallwellen werden alternierende Hochdruck-Phasen (Kompression) und Niederdruck-Phasen (Rarefaktion) erzeugt. Während der Niederdruck-Phasen entstehen durch die Ultraschallwellen Vakuumbläschen in der Flüssigkeit, welche anwachsen und, sobald sie keine weitere Energie mehr absorbieren können, während einer Hochdruck-Phase implodieren. Bei einer solchen Implosion entstehen lokal - in sogenannten „hot spots“ - sehr hohe Temperaturen (ca. 4500°C) und sehr hohe Drücke (ca. 2000 bar). Außerdem werden in der Flüssigkeit Hochgeschwindigkeitsstrahlen von bis zu 400 km/h erzeugt. [Suslick 1998]

Diese enormen Kräfte machen Ultraschall für zahlreiche Anwendungen in der Forschung, Entwicklung und Produktion zu einer leistungsstarken Technologie des Mischens und Mahlens: Diese hochenergetischen Flüssigkeitsstrahlen zerteilen Tröpfchen, brechen Agglomerate auf und lassen Partikel miteinander kollidieren, wodurch diese erodieren bzw. zerschmettert werden

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Ultraschallverarbeitung

Unterschiedliche Prozesse erfordern individuelle Prozessparameter. Abhängig von den Materialeigenschaften (beispielsweise hart, weich, brüchig, stark kohäsiv) und dem Prozessziel (beispielsweise Dispergieren oder Mahlen) erfordern die jeweiligen Substanzen spezifische Verarbeitungsparameter. Carbon Nanotubes (CNTs) weisen etwa eine starke Neigung zur Agglomeration auf. Dementsprechend sind intensive Kräfte zur Desaggomeration und Dispergierung notwendig. Es ist aber bei der Dispersion von CNTs wichtig, die Länge der Nanotubes nicht zu verkürzen, da das große Aspektverhältnis der CNTs für die gewünschen Materialeigenschaften zuständig ist.

Die Verarbeitung mit Hochleistungs-Ultraschall zeichnet sich durch die exakte Kontrolle über die wichtigsten Prozessparameter aus: Amplitude, Druck, Temperatur, Viskosität und Stoffkonzentration.

Die genaue Kontrolle über diese Parameter ermöglicht, mit demselben Ultraschallgerät entweder feine Wasser-Öl-Emulsionen herzustellen, Nanotubes zu dispergieren, Graphene zu exfolieren oder nanoskalige Kermaik- oder Metalloxid-Partikel zu mahlen.

Wird die Größe eines bestimmten Partikels reduziert, so ändern sich seine Charakteristiken, wie beispielsweise optische Eigenschaften, die Interaktion mit anderen Stoffen sowie die chemische Reaktivität.

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