Uusi lähestymistapa äänikiteyttämiseen näyttää teollisesti lupaavalta Diamond Light Sourcen, Ison-Britannian kansallisen synkrotronitutkimuslaitoksen, kokeellisten tutkimusten ansiosta. Joe McEntee raportit
Uteliaisuusvetoinen tutkimus, jossa käytetään pienitehoisia ultraäänikenttiä kiteen ydintymisen perusfysiikkaan – kideytimien ja ”alkioiden” muodostumiseen neste- tai liuosfaasissa ennen makroskooppista kiteiden kasvua – avaa tien uusille, teollisesti merkittäville menetelmille. prosessin ohjauksesta kiteytymistä varten.
Vaikka se on vielä suhteellisen alkuaikoja, tutkijat Leedsin yliopisto, Iso-Britannia, ovat varmoja, että heidän kokeelliset ja teoreettiset näkemyksensä muuttuvat lopulta loppupään prosessilaitteiden innovaatioiksi. Loppupeli: laajamittaiset kaupalliset mahdollisuudet toteuttaa vähemmän energiaintensiivisiä materiaalien tuotantotapoja – sekä tehostettua laadunvalvontaa – niinkin erilaisilla aloilla kuin elintarviketeollisuus, lääkkeet, maatalouskemikaalit, polymeerien suulakepuristus ja henkilökohtaiset hygieniatuotteet.
Niin sanottua "insonifikaatiota" koskevaa erityisohjelmaa johtaa Megan Povey, elintarvikefysiikan professori Leedsistä, joka on rakentanut kansainvälisen maineen ultraäänispektroskopian soveltamisessa elintarvikkeiden karakterisointiin ja ultraäänikäsittelyyn elintarviketeollisuudessa. Laajemmin hänen tiiminsä prioriteetit kattavat ruokien tietokone- ja matemaattisen mallintamisen; kaupallisesti käyttöön otettavat anturit ja instrumentointi turvallisempia elintarvikkeita varten; ja uudet prosessiteknologiat kestävää tuotantoa varten. Kaikki tämä perustuu vankkaan perusymmärrykseen materiaalien ominaisuuksista, rakenteesta ja käyttäytymisestä.
Ruoan perusasioiden purkaminen
Poveyn viimeisin tieteellinen pyrkimys on uskollinen niille ydintutkimuksen teemoille. Toisaalta hänen tiiminsä kehittää rakeisia matemaattis-fysikaalisia malleja – jotka perustuvat lämmön ja massakuljetuksen oikaisemiseen – ymmärtääkseen, kuinka pienitehoinen ultraääni vaikuttaa useiden ydinjärjestelmien käyttäytymiseen. "Kaikki, mitä teen elintarvikefysiikassa, tarvitsen teoreettisen pohjan - mallin - ennen kuin siirryn kokeellisiin näkökohtiin", Povey selittää. ”Empyristit tarvitsevat loppujen lopuksi muutakin kuin empirismin. He tarvitsevat fyysisiä malleja, joita he voivat iteroida ja optimoida todellisen kokeellisen datan avulla."
Samansuuntaista koordinaattia pitkin Povey ja kollegat jatkavat kokeellista tutkimuslinjaa, joka perustuu pienitehoiseen ultraääneen kiteen ydintymisen hallitsemiseksi – itse asiassa liuoksen tai nesteen insonifikaatiota aiheuttamatta kavitaatiota (eli pienten höyryllä täytettyjen kuplien muodostumista tai tyhjiä aukkoja, jotka voivat romahtaa ja synnyttää iskuaaltoja nesteväliaineessa). Tässä yhteydessä pieni teho määritellään mekaanisella indeksillä (MI), joka on 0.08 tai vähemmän, ultraäänipainepulssin maksimiamplitudin mitta (ja riittävän alhainen minimoimaan kavitaation todennäköisyyden).
"Säätämällä ultraäänen taajuutta, tehoa ja kestoa kiteytyvän materiaalin luonteen mukaan olemme osoittaneet, että on mahdollista edistää tai tukahduttaa kiteen muodostumista", toteaa Povey. "Samalla tavoin näkemämme hallinnan taso on paljon rakeisempi ja ulottuu ytimien muodostumis- ja kiteytysnopeuteen sekä muodostuvien verkostojen kiteiden lukumäärään, kokoon, geometriaan [tottumuksiin] ja morfologiaan."
Hän uskoo, että teollisuuden hyvät puolet voivat muuttaa peliä. "Ajattele nopeampaa ydintymistä ja tasaista ydintymistä koko sonikoidussa tilavuudessa sekä pienempien, puhtaampien ja yhtenäisempien kiteiden syntymistä." Esimerkkinä voidaan mainita farmaseuttisten "aktiivisten aineiden" tuotanto, jossa polymorfin (yksi kemiallinen laji, joka voi esiintyä eri kiderakenteissa ja saattaa muuttaa niiden kemiallisia ja fysikaalisia ominaisuuksia) hallinta on usein ratkaisevan tärkeää. "Kauhistuttava esimerkki talidomiditapauksesta korostaa vaaroja, jotka liittyvät väärän polymorfin tuotantoon", hän lisää.
Timantti valaisee kristallin ydintä
Jos tämä on taustatarina, entä kokeellinen yksityiskohta? Edessä ja keskellä tässä suhteessa ovat suuren tieteen valmiudet Timanttinen valonlähde, Yhdistyneen kuningaskunnan kansallinen synkrotronitutkimuslaitos (sijaitsee osoitteessa Harwellin tiede- ja innovaatiokampus, Oxfordshire). Maailmanlaajuisesti merkittävä Diamond on suurikokoisten röntgenlähteiden eliittien joukko, joka valaisee aineen rakennetta ja käyttäytymistä atomi- ja molekyylitasolla kaikilla perus- ja sovelletuilla tieteenaloilla – puhtaasta energiateknologiasta lääketeollisuuteen. ja terveydenhuolto; elintarviketieteestä rakennebiologiaan ja kulttuuriperintöön.
Viimeisen vuosikymmenen aikana Povey ja hänen tiiminsä ovat vierailleet säännöllisesti Diamond'sissa I22 sädelinja joka aloitti toimintansa vuonna 2007, ja se on isännöinyt erityistä ohjelmaa pehmeiden aineiden ja polymeerien tutkimukselle sekä toimille biologisten materiaalien ja ympäristötieteen alalla. Esimerkiksi I22:ssa Leeds-tiimi pystyy suorittamaan röntgendiffraktiotutkimuksia (XRD) monikäyttöisellä instrumentilla, joka yhdistää pienikulmaisen ja laajakulmaisen röntgensirontamenetelmän (SAXS/WAXS). Sädelinjaan kuuluu myös monipuolinen mallialustan tueksi operandossa kokeet – liuosten ja sulamien rakenteellisen evoluution seuraaminen esimerkiksi millisekunneista minuutteihin.
Ydinspesifikaatioiden osalta I22-insertointilaite toimittaa näytteeseen röntgensäteitä, joiden energiat ovat välillä 7-22 keV (ja säteen koko on 240 × 60 mikronia pääsädelinjalla). "Sekä SAXS- että WAXS-tietojen samanaikainen tallentaminen yhdessä tarkoittaa, että voimme tutkia kaikkia pituuksia korkealla resoluutiolla - muutamasta angströmistä mesoskaalaan useiden sadan nanometrin [ja miljardeissa molekyyleissä]", Povey selittää. "Käyttäen erityisesti suunniteltua akusto-optista kennoa I22-sädelinjassa, olemme keränneet kokeellisia todisteita kaksivaiheisesta kiteiden ytimestä sekä ei-kavitaatio-ultraäänen vaikutuksesta ytimen muodostumisprosessin jokaiseen vaiheeseen."
Tapaus on sarja XRD-tutkimuksia vahan (eikosaanin) kiteytymisen seuranta orgaanisesta liuottimesta insonoivan ultraäänikentän läsnäollessa ja poissa ollessa. Tavoitteena on tutkia insonifikaatioiden vaikutuksia sekä eikosaanimolekyylien pitkän kantaman järjestykseen (SAXS:n kautta) että nanomittakaavan molekyylipakkaukseen (WAXS:ia käyttämällä). Tällä tavalla Povey ja kollegat ovat pystyneet tunnistamaan insonifikaatiosta johtuvia mesoskaalausvaikutuksia, joita ei ole lepotilassa. SAXS/WAXS-tutkimukset auttoivat myös Leeds-tiimiä karakterisoimaan – ja seuraamaan dynaamisesti – kiteiden ydintämisvaihetta edeltävien järjestelmien kokoa (ennen kuin alkuperäiset kidealkiot siirtyvät hallitsemattomaan kidekasvuun).
"Aloitamme esimerkiksi siitä, että vaha tulee ulos liuoksesta, ja seuraamme tätä prosessia noin 5-6 kuvaa sekunnissa", Povey selittää. He näkevät ensinnäkin pitkän kantaman järjestyksen syntymisen nesteeseen sonikoinnin vaikutuksesta. Sitten yhä kyllästetymmässä liuoksessa tämä pitkän kantaman järjestys muuttuu faasierotukseksi niin sanotulla "kuolleella vyöhykkeellä", joka isännöi ensimmäistä nukleaatiovaihetta ennen kidealkioiden muodostumista. "Kaikissa vaiheissa", hän lisää, "pienitehoinen ultraääni voi muuttaa molekyylien järjestystä, ja näemme nämä vaikutukset etenevän kuin elokuva reaaliajassa I22:lla."
Uskomme, että insonifikaatiotekniikkamme voisi kirjoittaa ruiskuvalun säännöt uudelleen – vähentää jätettä, vähentää kustannuksia ja lisätä monipuolisuutta kestävän kehityksen hyväksi.
Megan Povey
Täydentäen I22 SAXS/WAXS -kokeita Povey ja jatko-opiskelija Fei Sheng ovat myös käyttäneet pulssikaikuultraäänitekniikoita (pulssin leveys luokkaa 5 μs) seuratakseen kvantitatiivisesti kidealkioiden käyttäytymistä ylikyllästyneissä liuoksissa (eli jotka sisältävät enemmän kuin maksimi). määrä liuennutta ainetta, joka pystyy liukenemaan tietyssä lämpötilassa). Käyttämällä ultraääntä vesipitoisen kuparisulfaattinäytteen tutkimiseen akusto-optisessa kennossa, he pystyivät mittaamaan kidealkioihin liittyvän kiinteän materiaalin syntymistä ja myöhempää katoamista.
Juuri tämä kyky valvoa ja hallita esiin nousevia kideytimiä kuolleella alueella – jossa kiteytyminen käyttäytyy kuin kasino ilman akustista ohjausta – mikä voi muuttaa monenlaisia teollisia prosesseja. Yksi lähiajan kaupallinen mahdollisuus, josta on jo keskusteltu alan kumppaneiden kanssa, on muoviosien muodostaminen ruiskuvalulla – perinteisesti energisesti kallis ja joskus osuma-ja-miss-prosessi. "Uskomme, että insonifikaatiotekniikkamme voisi kirjoittaa ruiskupuristuksen säännöt uudelleen - vähentää jätettä, vähentää kustannuksia ja lisätä monipuolisuutta kestävän kehityksen hyväksi", väittää Povey.
Ulos laboratoriosta, tehtaalle
Samaan aikaan sovelletussa T&K-työssä käsitellään muita teknologian muuntamisen näkökohtia – erityisesti Poveyn teoreettisen viitekehyksen integrointia insonifikaatiolle ja kiteiden ytimen muodostukselle dissipatiivisen hiukkasdynamiikan (DPD) laskennalliseen mallinnukseen (mesoskooppinen simulaatiotekniikka, joka on merkityksellinen monissa monimutkaisissa hydrodynaamisissa ilmiöissä). . Motiivina on kehittää ennustava menetelmä, joka pystyy mallintamaan pienitehoisten ultraäänikenttien vaikutusta monenlaisiin ydintämisjärjestelmiin – ja sitä kautta ohjaamaan kiteen muodostumista luotettavasti ja toistettavasti.
DPD-rintaman toimintaa johtaa Lewtas Science and Technologies, brittiläinen konsulttiyritys, joka on erikoistunut edistyneisiin materiaaleihin ja työskentelee yhteistyössä Hartree National Center for Digital Innovation, Iso-Britannian asu, joka tukee teknologian siirtoa ja kaupallistamista edistyneessä tietojenkäsittelyssä ja ohjelmistoissa.
Olet mitä syöt
Merkittävää on, että Povey ja Ken Lewtas, polymeeritutkija, joka johtaa samannimistä konsulttiyritystä, ovat myös jättäneet kansainvälinen patentti suojella henkistä omaisuutta, joka liittyy insonifikaatioon useissa teollisissa yhteyksissä, mukaan lukien (mutta ei rajoittuen) suklaan temperointi (prosessi, jossa suklaa kuumennetaan ja sitten jäähdytetään hitaasti, jotta rasvamolekyylit kiteytyvät suklaaksi, jolla on halutut ominaisuudet kiilto, napsahdus ja jäähdytys suussa); termoplastisten polymeerien kiteyttäminen (mekaanisten, optisten tai sulkuominaisuuksien säätelyyn); ja jopa dieselpolttoaineiden ja lämmitysöljyjen vahaus (joka voi vaikuttaa polttoainevirtauksiin matalissa lämpötiloissa).
"Toivomme", Povey päättää, "on, että teollisuuskumppanit pystyvät ennemmin tai myöhemmin rutiininomaisesti soveltamaan insonifikaatiotekniikkaamme ja pienitehoista ultraääntä edistääkseen tai tukahduttaakseen kiteytymistä eri tuotantoprosesseissa."
Synkrotronitieteen menestyksen salaisuudet
Nick Terrill on Diamondin I22-monikäyttöisen SAXS/WAXS-laitoksen tärkein sädelinjatutkija. Tässä hän kertoo Fysiikan maailma kuinka hänen viiden henkilöstötutkijan tiimi tukee Leedsin yliopiston elintarvikefysiikkaohjelmaa sonokristalliossa.
Kuinka paljon suunnittelua menee tällaiseen monivuotiseen tutkimushankkeeseen?
Vuorovaikutteemme Meganin ja kollegoiden kanssa alkaa hyvissä ajoin ennen heidän on-site säteen aika I22:ssa. Sellaisenaan vaatimusten kerääminen sisältää virtuaalisia ja paikan päällä useita kuukausia kestäviä kokouksia sen varmistamiseksi, että puhumme kaikki samaa kieltä ja että kokeellinen kokoonpano keilalinjalla on optimoitu toimittamaan heidän tarvitsemansa tiedot, kun he tarvitsevat sitä. Ei ole oikoteitä, vain perusteellinen valmistelu: vaatii paljon suunnittelua ja iterointia, jotta tieteelliset käyttäjät saavat laadukkaita tuloksia, kun he ovat täällä I22:ssa kolmen tai neljän päivän kokeiden ajan.
Oletettavasti keskitytään paljon järjestelmäintegraatioon?
Oikea. Tässä tapauksessa vietimme paljon aikaa työskennellessämme Meganin ja tiimin kanssa selvittääksemme, kuinka heidän ultraääniinstrumenttinsa ja akusto-optinen näytekenno integroidaan sädelinjaan siten, että ne eivät vaarantaisi SAXS/WAXS-tiedonkeruuta. I22:n oma Sample Environment Development Laboratory (SEDL) on tässä suhteessa ratkaiseva – pohjimmiltaan offline-kopio pääkeilasta ilman röntgensäteitä. SEDL:n ansiosta ulkopuoliset tutkijat voivat tuoda mukanaan erikoissarjansa – tässä tapauksessa ultraääni- ja akusto-optiset osajärjestelmät – ja tehdä tiivistä yhteistyötä I22-tiimin kanssa varmistaakseen, että laitteiston/ohjelmiston integraatio on mahdollisimman hyvä ennen live-ajoa. kokeiluja.
Mikä on tiimisi ja I22-loppukäyttäjien välisen onnistuneen yhteistyön salaisuus?
Tehtävämme on muuntaa ulkopuolisten käyttäjien tieteelliset tavoitteet realistisiksi kokeiksi, jotka toimivat luotettavasti sädelinjalla. Voit saavuttaa sen vain avoimella vuoropuhelulla ja kaksisuuntaisella yhteistyöllä. Meganin tiimin kanssa meidän täytyi tehdä kolmiomittaus varmistaaksemme, että monet eri toiminnot toimivat saumattomasti yhdessä – ultraäänidiagnostiikka, ultraääniherätys ja XRD-tietojen kerääminen. Parhaat yhteistyöt hyödyttävät aina kaikkia, sillä opimme myös matkan varrella paljon. Tämä oppiminen on avainasemassa jatkuvassa kehittymisessämme tiiminä ja jatkuvassa tieteellisessä tuessa, jota tarjoamme kaikille I22-loppukäyttäjillemme.
Kirjallisuutta
MJ Povey et ai. 2023 "Sounding out" kideytimet – Matemaattis-fysikaalinen ja kokeellinen tutkimus J. Chem. Phys. 158 174501
- SEO-pohjainen sisällön ja PR-jakelu. Vahvista jo tänään.
- PlatoData.Network Vertical Generatiivinen Ai. Vahvista itseäsi. Pääsy tästä.
- PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Tietoa laajennettu. Pääsy tästä.
- PlatoESG. hiili, CleanTech, energia, ympäristö, Aurinko, Jätehuolto. Pääsy tästä.
- PlatonHealth. Biotekniikan ja kliinisten kokeiden älykkyys. Pääsy tästä.
- Lähde: https://physicsworld.com/a/sound-and-vision-synchrotron-insights-illuminate-crystal-nucleation-and-growth/
