גרסה חדשה של התגבשות סונו מראה הבטחה תעשייתית הודות לחקירות ניסיוניות ב-Diamond Light Source, מתקן המחקר הלאומי לסינכרוטרונים בבריטניה. ג'ו מקנטי דיווחים
מחקר מונחה סקרנות באמצעות שדות אולטרסאונד בעלי הספק נמוך כדי לחקור את הפיזיקה הבסיסית של גרעין גבישים - היווצרות גרעיני גבישים ו"עוברים" בשלב הנוזל או התמיסה לפני צמיחת גבישים מקרוסקופית - פותח נתיב לשיטות חדשות ומשמעותיות מבחינה תעשייתית. של בקרת תהליכים להתגבשות.
למרות שזה עדיין ימים מוקדמים יחסית, מדענים מה- אוניברסיטת לידסבריטניה, בטוחים שהתובנות הניסיוניות והתיאורטיות שלהם יתורגמו בסופו של דבר לחדשנות בציוד תהליכי בתהליך. משחק הסיום: הזדמנויות מסחריות בקנה מידה גדול למימוש מצבים עתירי אנרגיה של ייצור חומרים - כמו גם בקרת איכות משופרת - בתעשיות מגוונות כמו ייצור מזון, תרופות, אגרוכימיקלים, שחול פולימרים ומוצרי טיפוח אישי.
בראש תוכנית המומחים על מה שמכונה "אי-סוניפיקציה" עומדת מייגן פובי, פרופסור לפיזיקת מזון בלידס, אשר בנה מוניטין בינלאומי ביישום ספקטרוסקופיה אולטרסאונד לאפיון מזון ועיבוד אולטרסאונד בייצור מזון. באופן נרחב יותר, סדרי העדיפויות של הצוות שלה משתרעים על מודלים ממוחשבים ומתמטיים של מזונות; חיישנים ומכשור הניתנים לפריסה מסחרית למזון בטוח יותר; וטכנולוגיות תהליכיות חדשות לייצור בר קיימא. כל זה בנוי על הבנה בסיסית מוצקה של תכונות החומרים, המבנה וההתנהגות.
פריקת יסודות המזון
העשייה המדעית האחרונה של Povey נאמנה לנושאי מחקר ליבה אלה. מצד אחד, הצוות שלה מפתח מודלים מתמטיים-פיזיקליים גרגירים - המבוססים על תיקון הובלת חום ומסה - כדי להבין כיצד אולטרסאונד בעל הספק נמוך משפיע על ההתנהגות של מגוון רחב של מערכות גרעיניות. "לכל מה שאני עושה בפיזיקה של מזון, אני צריך בסיס תיאורטי - מודל - לפני שאני עובר להיבטים הניסויים", מסביר פובי. "אחרי הכל, אמפיריציסטים צריכים יותר מאמפיריציזם. הם זקוקים למודלים פיזיים שהם יכולים לבצע ולבצע אופטימיזציה עם נתונים ניסיוניים מהעולם האמיתי."
לאורך קואורדינטה מקבילה, Povey ועמיתיו ממשיכים קו חקירה ניסיוני המסתמך על אולטרסאונד בעל הספק נמוך כדי לשלוט בגרעין הגביש - למעשה, חיטוי של תמיסה או נוזל מבלי לגרום לקוויטציה (כלומר היווצרות של בועות קטנות מלאות אדים או חללים שיכולים להתמוטט וליצור גלי הלם בתוך המדיום הנוזל). בהקשר זה, הספק נמוך מוגדר על ידי אינדקס מכני (MI) של 0.08 או פחות, מדד לאמפליטודה המקסימלית של דופק הלחץ האולטראסוני (ונמוך מספיק כדי למזער את הסבירות לקוויטציה).
"על ידי שליטה בתדירות האולטרסאונד, העוצמה ומשך הזמן בהתאם לאופי החומר המתגבש, הראינו שאפשר לקדם או לדכא היווצרות גבישים", מציין פובי. "באותה מידה, רמת השליטה שאנו רואים היא הרבה יותר גרעינית ומתרחבת לשיעורי הגרעין וההתגבשות, כמו גם המספרים, הגדלים, הגיאומטריות [ההרגלים] והמורפולוגיה של הגבישים ברשתות המתעוררות."
היתרונות של התעשייה, היא חושבת, יכולים להיות משנים את המשחק. "חשבו על גרעין מהיר יותר ועל גרעין אחיד בכל נפח הקול, כמו גם יצירת גבישים קטנים יותר, טהורים ואחידים יותר." דוגמה לכך היא ייצור של "פעילים" פרמצבטיים, כאשר השליטה בפולימורפים (מין כימי יחיד שיכול להתקיים במבני גביש שונים שעשויים לשנות את התכונות הכימיות והפיזיקליות שלהם) היא לעתים קרובות חיונית. "הדוגמה האיומה של פרשת התלידומיד מדגישה את הסכנות הטמונות בייצור הפולימורף הלא נכון", היא מוסיפה.
יהלום מאיר גרעין גביש
אם זה הסיפור האחורי, מה לגבי הפרטים הניסיוניים? חזית ומרכז בהקשר זה הן יכולות המדע הגדולות של מקור אור יהלום, מתקן המחקר הלאומי לסינכרוטרונים בבריטניה (הממוקם ב- קמפוס הארוול למדע וחדשנות, אוקספורדשייר). יהלום, בעל חשיבות עולמית, נמנה עם צוות עילית של מקורות קרני רנטגן בקנה מידה גדול השופך אור על המבנה וההתנהגות של החומר ברמה האטומית והמולקולרית בכל מיני דיסציפלינות בסיסיות ויישומיות - מטכנולוגיות אנרגיה נקייה ועד לפארמה. ושירותי בריאות; ממדעי המזון לביולוגיה מבנית ומורשת תרבותית.
במהלך העשור האחרון, פובי והצוות שלה היו מבקרים קבועים ב-Diamond's קו קרן I22 אשר מאז כניסתה לפעולה בשנת 2007, אירחה תכנית ייעודית לחקר חומר רך ופולימרים וכן פעילויות בחומרים ביולוגיים ובמדעי הסביבה. ב-I22, למשל, צוות לידס מסוגל לערוך מחקרי דיפרקציית רנטגן (XRD) על מכשיר רב תכליתי המשלב אופני פיזור של קרני רנטגן בזווית קטנה ורחבה (SAXS/WAXS). קו הקרן כולל גם פלטפורמת מדגם רב-תכליתית לתמיכה באופראנדו ניסויים - בעקבות התפתחות מבנית בתמיסות והמסות, למשל, לאורך טווחי זמן בין אלפיות שניות לדקות.
מבחינת מפרטי הליבה, מכשיר ההחדרה של I22 מספק קרני רנטגן לדגימה באנרגיות שבין 7 ל-22 keV (וגודל קרן של 240 × 60 מיקרון עבור קו הקרן הראשי). "ההקלטה הבו-זמנית של נתוני SAXS ו-WAXS במקביל פירושה שנוכל לחקור את כל סולמות האורך ברזולוציה גבוהה - מכמה אנגסטרמים ועד ל-mesoscale בכמה מאות ננומטרים [ומיליארדי מולקולות]", מסביר פובי. "באמצעות תא אקוסטו-אופטי שתוכנן במיוחד על קו הקרן I22, צברנו עדויות ניסיוניות לגרעין גבישים דו-שלבי, כמו גם להשפעה של אולטרסאונד לא-cavitational על כל שלב בתהליך הגרעין."
מקרה מעניין הוא סדרה של מחקרי XRD מעקב אחר התגבשות שעווה (eicosane) מממס אורגני בנוכחות והעדר שדה אולטרסאונד מדדה. המטרה: לחקור את ההשפעות של אינסוניפיקציה הן על הסדר ארוך הטווח של מולקולות האיקוסאן (באמצעות SAXS) והן על האריזה המולקולרית הננומטרית (באמצעות WAXS). בדרך זו, Povey ועמיתיו הצליחו לזהות השפעות בקנה מידה מזוני עקב אינסוניפיקציה שנעדרות בנוזל השקט. חקירות SAXS/WAXS גם אפשרו לצוות לידס לאפיין - ולעקוב באופן דינמי - אחר גודל המשטרים שקודמים לשלב הגרעין הגבישי (לפני שעוברים ראשוניים של גבישים לגידול גבישים בלתי מבוקרת).
"נתחיל עם השעווה שיוצאת מהתמיסה, למשל, ונבצע את התהליך הזה בסביבות 5-6 פריימים לשנייה", מסביר פובי. מה שהם רואים בשלב הראשון הוא הופעת סדר ארוך טווח בנוזל תחת השפעת הקול. ואז, בפתרון יותר ויותר רווי, הסדר ארוך הטווח הזה עובר להפרדת פאזות במה שנקרא "אזור מת", המארח את השלב הראשון של גרעין לפני היווצרות עוברי גביש. "בכל השלבים", היא מוסיפה, "האולטרסאונד בעל הספק נמוך יכול לשנות את הסדר המולקולרי ואנו רואים את ההשפעות הללו מתפתחות כמו סרט בזמן אמת ב-I22."
אנו חושבים שטכניקת החיטוי שלנו יכולה לשכתב את הכללים בהזרקה - הפחתת פסולת, הפחתת עלויות והגדלת הרבגוניות לטובת קיימות
מייגן פובי
בהשלמה לניסויי I22 SAXS/WAXS, Povey והסטודנט לתואר שני Fei Sheng השתמשו גם בטכניקות דופק-הד אולטרסאונד (רוחב דופק בסדר גודל של 5 מיקרומטרים) כדי לנטר באופן כמותי את התנהגות עוברי הגביש בתמיסות על רוויות (כלומר המכילות יותר מהמקסימום כמות המומס שמסוגלת להתמוסס בטמפרטורה נתונה). באמצעות אולטרסאונד כדי לחקור דגימת גופרת נחושת מימית בתא האקוסטו-אופטי, הם הצליחו למדוד את היווצרותם וההיעלמות שלאחר מכן של חומר מוצק הקשור לעוברי גביש.
היכולת הזו לנטר ולשלוט על גרעיני גביש מתעוררים באזור המת - שבו התגבשות מתנהגת כמו קזינו בהיעדר בקרה אקוסטית - היא בעלת הפוטנציאל לשנות מגוון רחב של תהליכים תעשייתיים. הזדמנות מסחרית אחת לטווח הקרוב שכבר נמצאת בדיון עם שותפים בתעשייה היא היווצרות חלקי פלסטיק על ידי הזרקה - באופן מסורתי תהליך יקר מבחינה אנרגטית ולפעמים תהליך של פגיעה ופגיעה. "אנחנו חושבים שטכניקת החיטוי שלנו יכולה לשכתב את הכללים בהזרקה - הפחתת פסולת, הפחתת עלויות והגדלת הרבגוניות לטובת קיימות", טוען פובי.
מחוץ למעבדה, לתוך המפעל
בינתיים, מאמץ המו"פ המיושם מתייחס להיבטים אחרים של תרגום טכנולוגי - בעיקר השילוב של המסגרת התיאורטית של Povey ליצירת חיטוי וגרעין גבישים עם מודלים חישוביים של פיזור חלקיקים (DPD) (טכניקת סימולציה מזוסקופית הרלוונטית למגוון תופעות הידרודינמיות מורכבות) . המוטיבציה כאן היא לפתח שיטה חיזוי המסוגלת לדגמן את ההשפעה של שדות אולטרסאונד בעלי הספק נמוך על מגוון רחב של מערכות גרעיניות - ובהרחבה, לשלוט על היווצרות גבישים באופן מהימן וחוזר על עצמו.
הפעילות בחזית DPD מובלת על ידי Lewtas Science and Technologies, חברת ייעוץ בבריטניה המתמחה בחומרים מתקדמים, עובדת בשיתוף פעולה עם המרכז הלאומי לחדשנות דיגיטלית של הארטרי, תלבושת בבריטניה התומכת בהעברת טכנולוגיה ומסחור במחשוב ותוכנה מתקדמים.
אתה מה שאתה אוכל
באופן משמעותי, Povey ו- Ken Lewtas, מדען פולימרים שעומד בראש חברת הייעוץ המכונה, הגישו גם פטנט בינלאומי להגן על הקניין הרוחני סביב השימוש בחיטוי במגוון הקשרים תעשייתיים, כולל (אך לא רק) טמפרור של שוקולד (תהליך של חימום איטי ולאחר מכן קירור שוקולד כך שמולקולות השומן יתגבשו לשוקולד עם התכונות הרצויות של ברק, הצמד וקירור בפה); התגבשות של פולימרים תרמופלסטיים (לשליטה בתכונות מכניות, אופטיות או מחסום); ואפילו שעווה של סולר ושמני חימום (שעשויים להשפיע על זרימת הדלק בטמפרטורות נמוכות).
"התקווה שלנו", מסכם פובי, "היא ששותפים בתעשייה, במוקדם ולא במאוחר, יהיו בעמדה ליישם באופן שגרתי את טכניקת החיטוי שלנו ואולטרסאונד בעוצמה נמוכה כדי לקדם או לדכא התגבשות בתהליכי ייצור מגוונים".
סודות ההצלחה במדע הסינכרוטרונים
ניק טריל הוא המדען הראשי של קו הקרן של מתקן I22 הרב-תכליתי SAXS/WAXS של Diamond. הנה הוא מספר עולם הפיזיקה כיצד הצוות שלו, המונה חמישה מדענים, תומך בתוכנית פיזיקת המזון של אוניברסיטת לידס בהתגבשות סונו.
כמה תכנון מושקע במאמץ מחקר רב שנתי כזה?
האינטראקציה שלנו עם מייגן ועמיתיה מתחילה הרבה לפני שלהם באתרו זמן קרן ב-I22. ככזה, איסוף הדרישות כרוך בפגישות וירטואליות ובאתר על פני תקופה של מספר חודשים כדי להבטיח שכולנו מדברים באותה שפה ושההגדרה הניסויית בקו הקרן מותאמת לספק את הנתונים הדרושים להם, כאשר הם צריכים את זה. אין קיצורי דרך, רק הכנה ממצה: נדרשת הרבה תכנון ואיטרציה כדי להבטיח שהמשתמשים המדעיים יקבלו תוצאות באיכות טובה בזמן שהם כאן ב-I22 למשך שלושה או ארבעה ימי ניסויים.
יש להניח שיש הרבה התמקדות באינטגרציה של מערכת?
נכון. במקרה זה, בילינו זמן רב בעבודה עם מייגן והצוות כדי להבין כיצד לשלב את מכשור האולטרסאונד ואת תא הדגימה האקוסטו-אופטי שלהם בקו הקרן כך שהם לא יפגעו באיסוף הנתונים SAXS/WAXS. המעבדה הייעודית לפיתוח סביבה לדוגמה (SEDL) של I22 היא חיונית בהקשר זה - בעצם העתק פחמן לא מקוון של קו הקרן הראשי ללא קרני רנטגן. הודות ל-SEDL, מדענים חיצוניים יכולים להביא את ערכת המומחים שלהם - במקרה זה, את האולטרסאונד ותת-המערכות האקוסטו-אופטיות - ולעבוד בשיתוף פעולה הדוק עם צוות I22 כדי להבטיח ששילוב החומרה/תוכנה יהיה טוב ככל האפשר לפני ההפעלה בשידור חי. ניסויים.
מה הסוד של שיתוף פעולה מוצלח בין הצוות שלך למשתמשי הקצה של I22?
התפקיד שלנו הוא לתרגם את היעדים המדעיים של משתמשים חיצוניים לניסויים מציאותיים שיפעלו בצורה מהימנה על קו הקרן. אתה יכול להשיג זאת רק עם דיאלוג פתוח ושיתוף פעולה דו כיווני. עם הצוות של מייגן, היינו צריכים לעשות טריאנגולציה כדי לוודא שמגוון של אופנים פועלים בצורה חלקה יחד - אבחון אולטרסאונד, עירור אולטרסאונד ואיסוף נתונים XRD. שיתופי הפעולה הטובים ביותר הם תמיד win-win, בכך שאנו גם לומדים הרבה לקחים בדרך. למידה זו היא המפתח לשיפור המתמיד שלנו כצוות ולתמיכה המדעית המתמשכת שאנו מציעים לכל משתמשי הקצה שלנו ב-I22.
לקריאה נוספת
MJ Povey et al. 2023 'נשמע' גרעיני גביש - חקירה מתמטית-פיזיקלית וניסיוני ג'יי צ'ם. פיז. 158 174501
- הפצת תוכן ויחסי ציבור מופעל על ידי SEO. קבל הגברה היום.
- PlatoData.Network Vertical Generative Ai. העצים את עצמך. גישה כאן.
- PlatoAiStream. Web3 Intelligence. הידע מוגבר. גישה כאן.
- PlatoESG. פחמן, קלינטק, אנרגיה, סביבה, שמש, ניהול פסולת. גישה כאן.
- PlatoHealth. מודיעין ביוטכנולוגיה וניסויים קליניים. גישה כאן.
- מקור: https://physicsworld.com/a/sound-and-vision-synchrotron-insights-illuminate-crystal-nucleation-and-growth/
