Krystalizacja, niezbędny proces dla branż takich jak medycyna i produkcja żywności, osiągnęła nowy kamień milowy dzięki świeżym badaniom zespołu prowadzonego przez profesora Duyanga Zanga i Xiaoqiang Zhang na Northwestern Polytechnical University w Xi’an w Chinach. Ich pomysłowe użycie fal dźwiękowych, aby wpłynąć na sposób, w jaki krople słonej wody odparowują i tworzą kryształy, zostało niedawno szczegółowo opisane w sonochemii ultradźwiękowej. Ta praca pokazuje, w jaki sposób ultradźwięki mogą sprawić, że kryształy są mniejsze i bardziej spójne podczas przyspieszania procesu, z obiecującymi zastosowaniami przemysłowymi.
Profesor Zang i jego zespół zbadali, w jaki sposób dwa rodzaje fal ultradźwiękowych – znane i podróżujące – wpływają na parowanie i krystalizację słonych kropel wody. Fale stojące są stacjonarnymi wzorami dźwiękowymi stworzonymi przez odbite fale, podczas gdy fale podróżujące poruszają się ciągle w jednym kierunku. Ich odkrycia podkreślają ekscytujący potencjał ultradźwięków w celu poprawy jakości kryształów, tworząc mniejsze i bardziej jednolite struktury. „Ta technika nie tylko przyspiesza odparowanie, ale także znacznie zmniejsza wielkość kryształu, co czyni ją nieocenionym narzędziem do precyzyjnych potrzeb” – powiedział profesor Zang.
Jednym z kluczowych ustaleń tego badania jest wyraźny wpływ różnych typów fal dźwięku. Podróżujące fale dźwiękowe spowodowały znacznie drobniejsze kryształy w porównaniu z falami stojącymi. Na przykład kryształy narażone na fale podróżne były wyraźnie mniejsze i bardziej jednolite niż te utworzone naturalnie, pokazując niezwykłe ultradźwięki kontrolne. Tymczasem fale stojące również zmniejszały wielkość kryształu, choć w mniejszym stopniu. Różnice te są powiązane z tym, w jaki sposób energia ultradźwiękowa zwiększa tworzenie niewielkich punktów początkowych dla wzrostu kryształów, zwanych jąderami, i zwiększa ich liczbę.
Szersze korzyści z tych badań są imponujące. Mniejsze, bardziej wyrafinowane kryształy mogą wzmocnić sposób wchłaniania leków przez organizm, poprawić siłę przetworzonych metali i zwiększyć wydajność produkcji chemicznej. Zespół wyjaśnił również, dlaczego ultradźwięki ma ten efekt. Kiedy fale dźwiękowe tworzą małe bąbelki, które rozszerzają się i pękają, znane jako kawitacja, pomagają rozbić większe kryształy i zachęcają do tworzenia mniejszych.
„Te badania dają nam nowe sposoby zarządzania procesem krystalizacji” – wyjaśnił Zhang. „Korzystając z energii dźwiękowej, możemy tworzyć bardziej precyzyjne i wydajne procesy, które są cenne w wielu branżach”.
Odkrycia podkreślają, w jaki sposób dostosowanie ustawień fali dźwiękowej mogą osiągnąć najlepsze wyniki. Na przykład w konfiguracjach fal podróżujących pozycja kropli względem źródła dźwięku miała duży wpływ na wynik. Krople umieszczone na określonych odległościach wytwarzały znacznie drobniejsze kryształy, pokazując dopracowaną kontrolę tę metodę.
Implikacje tej pracy zmieniają grę. Stosując ultradźwięki w celu prowadzenia krystalizacji, branże mogą osiągnąć lepsze wyniki przy mniejszym wysiłku. Ta innowacja obiecuje ekscytujące zastosowania w obszarach takich jak zaawansowane materiały i produkcja przyjazna dla środowiska, w których niezbędne jest kontrolowanie wielkości i struktury cząstek.
Referencje dziennika
Zhang, X., Chen, H., Wang, Y., Gao, X., Wang, Z., i Zang, D. „Udoskonalenie ziarna indukowane przez ultradźwięki krystalizację w wyparnych kropel soli fizjologicznej”. Sonochemia ultrasoniczna, 2024. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ultsonch.2024.106938
O autorach
Duyang Zang Otrzymał doktorat z fizyki na Uniwersytecie Paris-SUD w 2010 roku. Jest teraz profesorem w School of Physical and Technology, Northwestern Polytechnical University, Chiny. Pracuje nad fizyką i dynamiką interfejsów istoty miękkiej, w tym zjawiskami kapilarnymi, reologią międzyfazową, dynamiką kropel/bąbelków, zachowań fazowych w układach złożonych i miękkich. W ciągu ostatnich 10 lat przeprowadził ponad 10 projektów naukowych udzielonych z National Natural Science Foundation of China, Ministerstwa Edukacji itp. I próbował połączyć badanie miękkiej materii z lewitacją akustyczną. Upoważnił ponad 90 recenzowanych artykułów czasopism, w tym przyroda, natury komunikacji, raporty fizyki, miękkie materiały, płyny recenzji fizycznej itp. Oraz 5 rozdziałów książek. Opublikował także 2 książki. Jego publikacje zostały cytowane ponad 2700 razy z indeksem H 30 (Scopus). Zdobył nagrodę „Top 10 wschodzących naukowców z Chin, 2018” i IAAM Scientist Medal 2021. Jest członkiem IAAM, członkiem redakcji European Physical Journal E, Frontiers in Soft Matter and Advisory Board of Soft Matter.
Xiaoqiang Zhang W 2015 r. Otrzymał tytuł BS w dziedzinie inżynierii opakowań na Shaanxi University of Science & Technology, Xi’an, Chiny, oraz stopień MS in Engineering na Uniwersytecie Technologii Xi’an, Xi’an, Chiny, w 2019 r. Jest obecnie Praca w kierunku doktora Stopień fizyki w School of Physical and Technology, Northwestern Polytechnical University, Xi’an, Chiny. Jego zainteresowania badawcze obejmują krystalizację odparowującą płynnej krystalizacji i ultradźwiękowej lewitacji i zamrażania. Opublikował ponad 10 artykułów SCI i posiada 2 autoryzowane patenty wynalazków.
