Новый взгляд на сонокристаллизацию демонстрирует промышленные перспективы благодаря экспериментальным исследованиям в Diamond Light Source, национальном британском исследовательском центре синхротрона. Джо МакЭнти отчеты
Исследования, вызванные любопытством, с использованием ультразвуковых полей малой мощности для изучения фундаментальной физики зарождения кристаллов – образования кристаллических ядер и «зародышей» в жидкой фазе или фазе раствора перед макроскопическим ростом кристаллов – открывают путь к новым, промышленно значимым методам. контроля процесса кристаллизации.
Хотя это еще относительно рано, ученые из Университет Лидса, Великобритания, уверены, что их экспериментальные и теоретические открытия в конечном итоге приведут к инновациям в технологическом оборудовании. Конечная цель: масштабные коммерческие возможности для реализации менее энергоемких способов производства материалов, а также усиления контроля качества в таких разнообразных отраслях, как производство продуктов питания, фармацевтика, агрохимия, экструзия полимеров и средства личной гигиены.
Специализированную программу по так называемой «озвучке» возглавляет Меган Пови, профессор физики пищевых продуктов в Лидсе, завоевавший международную репутацию в применении ультразвуковой спектроскопии для определения характеристик пищевых продуктов и ультразвуковой обработки в производстве продуктов питания. В более широком смысле приоритеты ее команды включают компьютерное и математическое моделирование продуктов питания; коммерчески доступные датчики и приборы для более безопасных пищевых продуктов; и новые технологические процессы для устойчивого производства. Все это основано на глубоком фундаментальном понимании свойств, структуры и поведения материалов.
Раскрытие основ питания
Последние научные достижения Пови соответствуют этим основным темам исследований. С одной стороны, ее команда разрабатывает детальные математическо-физические модели, основанные на исправлении тепло- и массопереноса, чтобы понять, как ультразвук малой мощности влияет на поведение широкого спектра зародышеобразующих систем. «Все, что я делаю в области физики пищевых продуктов, мне нужно теоретическое обоснование – модель – прежде чем переходить к экспериментальным аспектам», – объясняет Пови. «В конце концов, эмпирикам нужно нечто большее, чем просто эмпиризм. Им нужны физические модели, которые они могут повторять и оптимизировать с использованием реальных экспериментальных данных».
Параллельно с этим Пови и его коллеги проводят экспериментальное направление исследований, основанное на использовании ультразвука малой мощности для контроля зарождения кристаллов – по сути, озвучивания раствора или жидкости без возникновения кавитации (т. е. образования небольших пузырьков, наполненных паром или пустоты, которые могут разрушаться и генерировать ударные волны внутри жидкой среды). В этом контексте низкая мощность определяется механическим индексом (MI) 0.08 или менее, мерой максимальной амплитуды ультразвукового импульса давления (и достаточно низкой, чтобы минимизировать вероятность кавитации).
«Контролируя частоту, мощность и продолжительность ультразвука в зависимости от природы кристаллизующегося материала, мы показали, что можно стимулировать или подавлять образование кристаллов», — отмечает Пови. «Точно так же уровень контроля, который мы видим, гораздо более детализирован и распространяется на скорость зарождения и кристаллизации, а также на количество, размеры, геометрию [привычки] и морфологию кристаллов в возникающих сетях».
По ее мнению, преимущества для промышленности могут изменить правила игры. «Подумайте о более быстром зародышеобразовании и равномерном зародышеобразовании во всем обработанном ультразвуком объеме, а также о создании более мелких, более чистых и однородных кристаллов». В качестве примера можно привести производство фармацевтических «активных веществ», где контроль полиморфов (одного химического вида, который может существовать в различных кристаллических структурах и может изменять свои химические и физические свойства) часто имеет решающее значение. «Ужасный пример дела с талидомидом подчеркивает опасности, связанные с производством неправильного полиморфа», — добавляет она.
Алмаз освещает зарождение кристаллов
Если это предыстория, то как насчет деталей эксперимента? В центре внимания в этом отношении находятся возможности большой науки. Алмазный источник света, национальный центр синхротронных исследований Великобритании (расположенный в Кампус науки и инноваций Харвелла, Оксфордшир). Имея глобальное значение, Diamond входит в элитную группу крупномасштабных источников рентгеновского излучения, которые проливают свет на структуру и поведение материи на атомном и молекулярном уровне во всех фундаментальных и прикладных дисциплинах – от технологий чистой энергии до фармацевтики. и здравоохранение; от пищевой науки до структурной биологии и культурного наследия.
На протяжении последнего десятилетия Пови и ее команда были постоянными посетителями Diamond's. I22 лучевой канал который с момента ввода в эксплуатацию в 2007 году проводил специальную программу исследований мягких материалов и полимеров, а также деятельность в области биологических материалов и наук об окружающей среде. Например, в I22 команда Лидса может проводить рентгеновские дифракционные исследования (XRD) на многоцелевом приборе, который сочетает в себе методы малоуглового и широкоугольного рассеяния рентгеновских лучей (SAXS/WAXS). Путь также включает в себя универсальную платформу для образцов, поддерживающую в работе эксперименты - отслеживание структурной эволюции растворов и расплавов, например, в течение времени от миллисекунд до минут.
Что касается характеристик активной зоны, устройство ввода I22 доставляет к образцу рентгеновские лучи с энергией от 7 до 22 кэВ (и размером луча 240 × 60 микрон для основного канала). «Одновременная запись данных SAXS и WAXS в тандеме означает, что мы можем исследовать все масштабы длин с высоким разрешением — от нескольких ангстрем до мезомасштаба в несколько сотен нанометров [и миллиардов молекул]», — объясняет Пови. «Используя специально разработанную акустооптическую ячейку на канале I22, мы накопили экспериментальные доказательства двухэтапного зарождения кристаллов, а также воздействия некавитационного ультразвука на каждом этапе процесса зародышеобразования».
В качестве примера можно привести серия рентгеновских исследований отслеживание кристаллизации воска (эйкозана) из органического растворителя в присутствии и в отсутствие озонирующего ультразвукового поля. Цель: исследовать влияние озвучивания как на дальний порядок молекул эйкозана (с помощью SAXS), так и на наноразмерную молекулярную упаковку (с использованием WAXS). Таким образом, Пови и его коллеги смогли идентифицировать мезомасштабные эффекты, возникающие из-за озвучивания, которые отсутствуют в покоящейся жидкости. Исследования SAXS/WAXS также позволили команде Лидса охарактеризовать – и динамически отслеживать – размер режимов, которые предшествуют этапу зарождения кристаллов (до того, как начальные кристаллические зародыши переходят в неконтролируемый рост кристаллов).
«Например, мы начнем с воска, выходящего из раствора, и будем следить за этим процессом со скоростью около 5-6 кадров в секунду», — объясняет Пови. В первую очередь они видят возникновение дальнего порядка в жидкости под воздействием ультразвука. Затем, во все более насыщенном растворе, этот дальний порядок переходит в фазовое расслоение в так называемой «мертвой зоне», в которой происходит первая стадия зародышеобразования перед образованием кристаллических зародышей. «На всех стадиях, — добавляет она, — ультразвук малой мощности может изменить молекулярный порядок, и мы видим, как эти эффекты разворачиваются, как в фильме в реальном времени на канале I22».
Мы считаем, что наша технология озвучивания может переписать правила литья под давлением – сократить количество отходов, снизить затраты и повысить универсальность в пользу устойчивости.
Меган Пови
В дополнение к экспериментам I22 SAXS/WAXS Пови и аспирант Фей Шэн также использовали ультразвуковые методы импульсно-эхо (длительность импульса порядка 5 мкс) для количественного мониторинга поведения кристаллических зародышей в перенасыщенных растворах (т.е. содержащих больше максимального количества количество растворенного вещества, которое способно раствориться при данной температуре). Используя ультразвук для исследования образца водного сульфата меди в акустооптической ячейке, они смогли измерить появление и последующее исчезновение твердого материала, связанного с кристаллическими зародышами.
Именно эта способность отслеживать и контролировать возникающие кристаллические ядра в мертвой зоне – где кристаллизация ведет себя как казино в отсутствие акустического контроля – потенциально может изменить широкий спектр промышленных процессов. Одной из коммерческих возможностей в ближайшей перспективе, которая уже обсуждается с отраслевыми партнерами, является формирование пластиковых деталей методом литья под давлением – традиционно энергетически дорогой, а иногда и случайный процесс. «Мы считаем, что наша технология озвучивания могла бы переписать правила литья под давлением – сократить количество отходов, снизить затраты и повысить универсальность в пользу устойчивости», – утверждает Пови.
Из лаборатории на фабрику
Между тем, прикладные усилия в области исследований и разработок направлены на другие аспекты внедрения технологий, в частности, на интеграцию теоретической основы Пови для озвучивания и зарождения кристаллов с компьютерным моделированием диссипативной динамики частиц (DPD) (методом мезоскопического моделирования, применимым к множеству сложных гидродинамических явлений). . Мотивацией здесь является разработка метода прогнозирования, способного моделировать воздействие ультразвуковых полей малой мощности на широкий спектр зародышеобразующих систем и, как следствие, надежно и повторяемо контролировать образование кристаллов.
Деятельностью на фронте DPD руководит Льютас Наука и технологии, британская консалтинговая компания, специализирующаяся на современных материалах, работающая в сотрудничестве с Национальный центр цифровых инноваций Хартри, британское подразделение, которое поддерживает передачу технологий и коммерциализацию передовых вычислений и программного обеспечения.
Ты то, что ты ешь
Примечательно, что Пови и Кен Льютас, ученый-полимерщик, возглавляющий одноименную консалтинговую компанию, также подали международный патент защитить интеллектуальную собственность, связанную с использованием озвучивания в различных промышленных контекстах, включая (но не ограничиваясь этим) темперирование шоколада (процесс медленного нагрева, а затем охлаждения шоколада, чтобы молекулы жира кристаллизовались в шоколад с желаемыми свойствами). блеска, хруста и прохлады во рту); кристаллизация термопластичных полимеров (для контроля механических, оптических или барьерных свойств); и даже парафинирование дизельного топлива и топочного топлива (которое может повлиять на потоки топлива при низких температурах).
«Мы надеемся, — заключает Пови, — что партнеры в отрасли рано или поздно смогут регулярно применять нашу технику озвучивания и ультразвук малой мощности для стимулирования или подавления кристаллизации в различных производственных процессах».
Секреты успеха в синхротронной науке
Ник Террилл является главным научным сотрудником многоцелевого комплекса SAXS/WAXS компании Diamond I22. Вот он рассказывает Мир физики как его команда из пяти ученых поддерживает программу пищевой физики Университета Лидса по сонокристаллизации.
Сколько времени уходит на планирование такого многолетнего исследования?
Наше взаимодействие с Меган и коллегами начинается задолго до их на месте время луча на I22. Таким образом, сбор требований включает в себя виртуальные встречи и встречи на местах в течение нескольких месяцев, чтобы убедиться, что мы все говорим на одном языке и что экспериментальная установка на технологической линии оптимизирована для предоставления необходимых им данных, когда им это нужно. Здесь нет коротких путей, только тщательная подготовка: требуется много планирования и итераций, чтобы гарантировать, что научные пользователи получат результаты хорошего качества, пока они находятся здесь, на I22, в течение трех или четырех дней экспериментов.
Вероятно, большое внимание уделяется системной интеграции?
Правильный. В этом случае мы потратили много времени, работая с Меган и командой, чтобы выяснить, как интегрировать их ультразвуковые приборы и акустооптические ячейки для образцов в линию луча, чтобы они не ставили под угрозу сбор данных SAXS/WAXS. В этом отношении решающее значение имеет специализированная лаборатория разработки образцов среды (SEDL) I22 – по сути, автономная точная копия основного канала без рентгеновских лучей. Благодаря SEDL внешние ученые могут взять с собой свой специализированный комплект (в данном случае ультразвуковую и акустооптическую подсистемы) и тесно сотрудничать с командой I22, чтобы обеспечить максимальную интеграцию аппаратного и программного обеспечения перед запуском в эксплуатацию. эксперименты.
В чем секрет успешного сотрудничества вашей команды и конечных пользователей I22?
Наша работа — воплотить научные цели внешних пользователей в реалистичные эксперименты, которые будут надежно выполняться на луче. Добиться этого можно только посредством открытого диалога и двустороннего сотрудничества. Вместе с командой Меган нам пришлось провести триангуляцию, чтобы обеспечить бесперебойную совместную работу ряда методов — ультразвуковой диагностики, ультразвукового возбуждения и сбора данных XRD. Лучшее сотрудничество всегда беспроигрышно, поскольку на этом пути мы извлекаем много уроков. Такое обучение является ключом к постоянному совершенствованию нашей команды и постоянной научной поддержке, которую мы предлагаем всем конечным пользователям I22.
Далее
Эм Джей Пови и другие 2023 «Прощупывание» кристаллических ядер – Математо-физическое и экспериментальное исследование Дж. Хим. физ. 158 174501
- SEO-контент и PR-распределение. Получите усиление сегодня.
- PlatoData.Network Вертикальный генеративный ИИ. Расширьте возможности себя. Доступ здесь.
- ПлатонАйСтрим. Интеллект Web3. Расширение знаний. Доступ здесь.
- ПлатонЭСГ. Углерод, чистые технологии, Энергия, Окружающая среда, Солнечная, Управление отходами. Доступ здесь.
- ПлатонЗдоровье. Биотехнологии и клинические исследования. Доступ здесь.
- Источник: https://physicsworld.com/a/sound-and-vision-synchrotron-insights-illuminate-crystal-nucleation-and-growth/
