Iṣe tuntun lori sonocrystalization n ṣe afihan ileri ile-iṣẹ ọpẹ si awọn iwadii esiperimenta ni Orisun Imọlẹ Diamond, ile-iṣẹ iwadii synchrotron ti orilẹ-ede UK. Joe McEntee iroyin
Iwadii-ìṣó iwadi nipa lilo kekere-agbara olutirasandi aaye lati se iwadi awọn yeke fisiksi ti gara iparun – awọn Ibiyi ti gara arinbo ati “embryos” ninu omi tabi ojutu alakoso saju si macroscopic gara idagbasoke – ti wa ni nsii a ipa ọna si titun, industrially significant ọna Iṣakoso ilana fun crystallization.
Biotilejepe o jẹ tun jo tete ọjọ, sayensi lati awọn University of Leeds, UK, wa ni igboya wọn esiperimenta ati o tumq si imọ yoo be tumo sinu ibosile ilana-ẹrọ ĭdàsĭlẹ. Ere ipari: awọn aye iṣowo ni iwọn lati mọ awọn ipo agbara-agbara ti o kere ju ti iṣelọpọ awọn ohun elo - bakanna bi iṣakoso didara imudara - kọja awọn ile-iṣẹ bii oriṣiriṣi bi iṣelọpọ ounjẹ, awọn oogun, awọn agrochemicals, extrusion polymer ati awọn ọja itọju ti ara ẹni.
Eto alamọja lori ohun ti a pe ni “insonification” ti wa ni ṣiṣi nipasẹ Megan Povey, professor ti ounje fisiksi ni Leeds, ti o ti kọ ohun okeere rere ni awọn ohun elo ti olutirasandi spectroscopy fun ounje karakitariasesonu ati olutirasandi processing ni ounje ẹrọ. Diẹ sii ni ibigbogbo, awọn ayo ẹgbẹ rẹ ni kọnputa ati awoṣe mathematiki ti awọn ounjẹ; awọn sensọ imuṣiṣẹ ni iṣowo ati ohun elo fun awọn ounjẹ onjẹ ailewu; ati awọn imọ-ẹrọ ilana aramada fun iṣelọpọ alagbero. Gbogbo iyẹn ti a ṣe lori oye ipilẹ to lagbara ti awọn ohun-ini ohun elo, eto ati ihuwasi.
Unpacking awọn ipilẹ ounje
Igbiyanju imọ-jinlẹ tuntun ti Povey jẹ otitọ si awọn akori iwadii pataki wọnyẹn. Ni ọna kan, ẹgbẹ rẹ n ṣe idagbasoke awọn awoṣe mathematiki-granular granular - ti o da lori atunṣe ti ooru ati gbigbe gbigbe lọpọlọpọ - lati ni oye bi olutirasandi agbara kekere ṣe ni ipa lori ihuwasi ti ọpọlọpọ awọn eto iparun. "Ohun gbogbo ti Mo ṣe ni fisiksi ounjẹ, Mo nilo itọlẹ imọ-jinlẹ - awoṣe kan - ṣaaju gbigbe si awọn aaye idanwo,” Povey salaye. “Lẹhinna gbogbo rẹ, awọn alamọdaju nilo diẹ sii ju imunibinu lọ. Wọn nilo awọn awoṣe ti ara ti wọn le ṣe iwọntunwọnsi ati imudara pẹlu data idanwo-aye gidi. ”
Pẹlú ipoidojuko ti o jọra, Povey ati awọn ẹlẹgbẹ n lepa laini esiperimenta ti ibeere ti o gbẹkẹle olutirasandi agbara kekere lati ṣakoso iparun gara – ni ipa, insonification ti ojutu kan tabi omi laisi inducing cavitation (ie dida awọn nyoju kekere ti o kun fun oru tabi ofo ti o le ṣubu ati ṣe ina awọn igbi mọnamọna laarin alabọde omi). Ni aaye yii, agbara kekere jẹ asọye nipasẹ atọka ẹrọ (MI) ti 0.08 tabi kere si, iwọn titobi ti o pọju ti pulse titẹ ultrasonic (ati pe o kere lati dinku o ṣeeṣe ti cavitation).
"Nipa iṣakoso awọn igbohunsafẹfẹ olutirasandi, agbara ati iye akoko ni ibamu si iru ohun elo crystallizing, a ti fihan pe o ṣee ṣe lati ṣe igbelaruge tabi dinku iṣelọpọ gara," awọn akọsilẹ Povey. “Ni dọgbadọgba, ipele iṣakoso ti a rii jẹ granular pupọ diẹ sii ati gbooro si awọn oṣuwọn iparun ati kristaliization gẹgẹbi awọn nọmba, awọn iwọn, awọn geometries [awọn isesi] ati imọ-ara ti awọn kirisita ni awọn nẹtiwọọki pajawiri.”
Awọn ilọsiwaju fun ile-iṣẹ, o ro pe, le jẹ iyipada ere. Ronu yiyara iparun ati iparun aṣọ ni gbogbo iwọn didun sonicated gẹgẹbi iran ti o kere, mimọ ati awọn kirisita aṣọ diẹ sii.” Ọran ni aaye ni iṣelọpọ ti awọn “akitiyan” elegbogi, nibiti iṣakoso ti polymorph (ẹya kemikali kan ti o le wa ni oriṣiriṣi awọn ẹya gara ti o le yi kemikali ati awọn ohun-ini ti ara pada) nigbagbogbo jẹ pataki. "Apẹẹrẹ ti o ni ẹru ti ọrọ thalidomide ṣe afihan awọn ewu ti o wa ninu iṣelọpọ ti polymorph ti ko tọ," o ṣe afikun.
Diamond imọlẹ to gara iparun
Ti iyẹn ba jẹ itan-pada, kini nipa alaye idanwo naa? Iwaju-ati-aarin ni iyi yii ni awọn agbara imọ-nla ti Orisun ina Diamond, Ile-iṣẹ iwadi synchrotron ti orilẹ-ede UK (ti o wa ni Harwell Imọ ati Innovation Campus, Oxfordshire). Ni pataki ni kariaye, Diamond jẹ laarin cadre olokiki ti awọn orisun X-ray nla ti o n tan ina lori eto ati ihuwasi ti ọrọ ni ipele atomiki ati molikula ni gbogbo ọna ti ipilẹ ati awọn ilana ti a lo - lati awọn imọ-ẹrọ mimọ-agbara si ile elegbogi. ati ilera; lati imọ-jinlẹ ounjẹ si isedale igbekalẹ ati ohun-ini aṣa.
Ni ọdun mẹwa sẹhin, Povey ati ẹgbẹ rẹ ti jẹ alejo deede si Diamond's I22 tan ina eyi ti, niwon titẹ isẹ ni 2007, ti gbalejo a ifiṣootọ eto fun asọ-ọrọ ati polima iwadi bi daradara bi akitiyan ni ti ibi ohun elo ati ki ayika Imọ. Ni I22, fun apẹẹrẹ, awọn ẹgbẹ Leeds ni anfani lati ṣe awọn iwadi X-ray diffraction (XRD) lori ohun elo multipurpose kan ti o dapọ kekere-igun ati fife-igun X-ray tituka (SAXS / WAXS). Ilẹ ina naa tun ni iru ẹrọ apẹẹrẹ to wapọ lati ṣe atilẹyin ni operando awọn adanwo – atẹle itankalẹ igbekalẹ ni awọn ojutu ati yo, fun apẹẹrẹ, lori awọn iwọn akoko lati milliseconds si awọn iṣẹju.
Ni awọn ofin ti awọn pato pato, ẹrọ ifibọ I22 n pese awọn ina-X-ray si ayẹwo pẹlu awọn agbara laarin 7 ati 22 keV (ati iwọn tan ina ti 240 × 60 microns fun beamline akọkọ). "Igbasilẹ igbakanna ti SAXS ati data WAXS ni tandem tumọ si pe a le ṣawari gbogbo awọn irẹjẹ gigun pẹlu ipinnu giga - lati awọn angstroms diẹ titi de mesoscale ni ọpọlọpọ awọn ọgọrun nanometers [ati awọn ọkẹ àìmọye awọn ohun elo]," salaye Povey. “Lilo sẹẹli acousto-optic ti a ṣe ni pataki lori ori ila I22, a ti ṣajọpọ ẹri esiperimenta fun iparun ipele-meji bi daradara bi ipa ti olutirasandi ti kii ṣe cavitational lori igbesẹ kọọkan ninu ilana iparun.”
A irú ni ojuami ni lẹsẹsẹ XRD-ẹrọ ipasẹ crystallization ti epo-eti (eicosane) lati inu ohun elo Organic ni wiwa ati isansa ti aaye olutirasandi insonifying. Ibi-afẹde: lati ṣe iwadii awọn ipa ti insonification mejeeji lori aṣẹ gigun ti awọn ohun elo eicosane (nipasẹ SAXS) ati lori iṣakojọpọ molikula nanoscale (lilo WAXS). Ni ọna yii, Povey ati awọn ẹlẹgbẹ ti ni anfani lati ṣe idanimọ awọn ipa mesoscale nitori insonification ti ko si ninu ito quiescent. Awọn iwadii SAXS/WAXS tun jẹ ki ẹgbẹ Leeds ṣe afihan - ati tẹle ni agbara – iwọn awọn ijọba ti o ṣaju igbesẹ iparun gara (ni ilosiwaju ti awọn ọmọ inu oyun gara akọkọ ti o yipada si idagbasoke gara ti a ko ṣakoso).
"A yoo bẹrẹ pẹlu epo-eti ti n jade ni ojutu, fun apẹẹrẹ, ati tẹle ilana naa ni ayika awọn fireemu 5-6 fun iṣẹju-aaya," Povey salaye. Ohun ti wọn rii ni apẹẹrẹ akọkọ ni ifarahan ti aṣẹ gigun-gun ni omi labẹ ipa ti sonication. Lẹhinna, ninu ojutu ti o ni kikun ti o pọ si, aṣẹ gigun-gun yii yipada si ipinya alakoso ni eyiti a pe ni “agbegbe ti o ku”, eyiti o gbalejo ipele akọkọ ti iparun ṣaaju dida awọn oyun gara. “Ni gbogbo awọn ipele,” o ṣafikun, “olutirasandi agbara kekere le yi pipaṣẹ molikula pada ati pe a rii pe awọn ipa wọnyẹn ṣafihan bi fiimu kan ni akoko gidi lori I22.”
A ro pe ilana insonification wa le tun awọn ofin kọ ni mimu abẹrẹ - idinku egbin, idinku idiyele ati jijẹ iwọn ni ojurere ti iduroṣinṣin
Megan Povey
Ni ibamu pẹlu awọn adanwo I22 SAXS/WAXS, Povey ati ọmọ ile-iwe mewa Fei Sheng ti tun lo awọn ilana olutirasandi pulse-iwoyi (iwọn pulse ti aṣẹ ti 5 μs) lati ṣe atẹle titobi ni ihuwasi ti awọn ọmọ inu oyun gara ni awọn solusan ti o ga julọ (ie ti o ni diẹ sii ju iwọn ti o pọ julọ lọ). iye ti solute ti o lagbara lati wa ni tituka ni iwọn otutu ti a fun). Lilo olutirasandi lati ṣe iwadii ayẹwo sulphate bàbà olomi ninu sẹẹli acousto-optic, wọn ni anfani lati wiwọn wiwa sinu aye ati ipadanu atẹle ti awọn ohun elo to lagbara ti o ni nkan ṣe pẹlu awọn ọmọ inu oyun gara.
O jẹ agbara yii lati ṣe atẹle ati ṣakoso awọn ekuro kirisita pajawiri ni agbegbe agbegbe ti o ku - nibiti isọdọtun ṣe huwa bi kasino ni aini iṣakoso akositiki - eyiti o ni agbara lati yi ọpọlọpọ awọn ilana ile-iṣẹ pada. Anfani iṣowo igba-isunmọ tẹlẹ labẹ ijiroro pẹlu awọn alabaṣiṣẹpọ ile-iṣẹ ni dida awọn ẹya ṣiṣu nipasẹ ṣiṣe abẹrẹ - ni aṣa gbowolori gbowolori ati nigbakan ilana kọlu-ati-padanu. "A ro pe ilana insonification wa le tun kọwe awọn ofin ni sisọ abẹrẹ - idinku egbin, idinku iye owo ati jijẹ iyipada ni ojurere ti iduroṣinṣin," Povey sọ.
Jade kuro ninu lab, sinu ile-iṣẹ
Nibayi, igbiyanju R&D ti a lo ti n ba awọn abala miiran ti itumọ imọ-ẹrọ sọrọ - ni pataki isọpọ ti ilana ilana imọ-jinlẹ Povey fun insonification ati iparun kirisita pẹlu awoṣe iṣiro patikulu dissipative (DPD) (ilana kikopa mesoscopic kan ti o ṣe pataki kọja ọpọlọpọ awọn iyalẹnu hydrodynamic eka) . Iwuri ti o wa nibi ni lati ṣe agbekalẹ ọna asọtẹlẹ ti o lagbara lati ṣe apẹẹrẹ ipa ti awọn aaye olutirasandi agbara-kekere lori ọpọlọpọ awọn ọna ṣiṣe iparun - ati, nipasẹ itẹsiwaju, iṣelọpọ iṣakoso gara ni igbẹkẹle ati leralera.
Iṣẹ-ṣiṣe lori DPD iwaju ti wa ni mu nipasẹ Imọ-ẹrọ Lewtas ati Awọn Imọ-ẹrọ, Onimọran UK kan ti o ṣe pataki ni awọn ohun elo to ti ni ilọsiwaju, ṣiṣẹ ni ifowosowopo pẹlu awọn Hartree National Center fun Digital Innovation, Aṣọ UK kan ti o ṣe atilẹyin gbigbe imọ-ẹrọ ati iṣowo ni iṣiro to ti ni ilọsiwaju ati software.
Iwọ ni ohun ti o jẹ
Ni pataki, Povey ati Ken Lewtas, onimọ-jinlẹ polima kan ti o ṣe olori si ijumọsọrọ olokiki, tun ti fi ẹsun kan ranṣẹ. okeere itọsi lati daabobo ohun-ini ọgbọn ni ayika lilo insonification ni ọpọlọpọ awọn agbegbe ile-iṣẹ, pẹlu (ṣugbọn kii ṣe opin si) iwọn otutu ti chocolate (ilana ti alapapo laiyara ati lẹhinna itutu chocolate ki awọn ohun elo ti o sanra di ṣokolaiti pẹlu awọn ohun-ini iwunilori. ti didan, imolara ati itutu ni ẹnu); crystallization ti thermoplastic polima (lati sakoso darí, opitika tabi idankan ini); ati paapaa awọn epo epo diesel ati awọn epo alapapo (eyi ti o le ni ipa lori ṣiṣan epo ni awọn iwọn otutu kekere).
“Ireti wa,” ni ipari Povey, “ni pe awọn alabaṣiṣẹpọ ile-iṣẹ yoo, laipẹ ju nigbamii, wa ni ipo lati lo ilana insonification wa nigbagbogbo ati olutirasandi agbara kekere lati ṣe igbega tabi dinku crystallization kọja awọn ilana iṣelọpọ lọpọlọpọ.”
Awọn aṣiri ti aṣeyọri ni imọ-jinlẹ synchrotron
Nick Terrill jẹ onimọ-jinlẹ beamline akọkọ fun ohun elo SAXS/WAXS multipurpose Diamond's I22. Nibi o sọ fun Aye Fisiksi bawo ni ẹgbẹ rẹ ti awọn onimọ-jinlẹ oṣiṣẹ marun ṣe n ṣe atilẹyin eto eto fisiksi ounjẹ ti University of Leeds ni sonocrystalization.
Elo ni igbero lọ sinu igbiyanju iwadii ọpọlọpọ ọdun bii eyi?
Ibaraẹnisọrọ wa pẹlu Megan ati awọn ẹlẹgbẹ bẹrẹ daradara ni ilosiwaju ti wọn ni aaye tan ina-akoko ni I22. Bii iru bẹẹ, ikojọpọ awọn ibeere jẹ pẹlu foju ati awọn ipade lori aaye ni akoko ti awọn oṣu pupọ lati rii daju pe gbogbo wa n sọrọ ede kanna ati pe iṣeto idanwo lori ina ti wa ni iṣapeye lati fi data ti wọn nilo, nigbati wọn nilo rẹ. Ko si awọn gige-kukuru, o kan igbaradi ti o pari: o gba eto pupọ ati aṣetunṣe lati rii daju pe awọn olumulo imọ-jinlẹ gba awọn abajade didara to dara lakoko ti wọn wa nibi ni I22 fun awọn ọjọ mẹta tabi mẹrin ti awọn adanwo.
Aigbekele nibẹ ni a pupo ti idojukọ lori eto Integration?
Atunse. Ni idi eyi, a lo akoko pupọ lati ṣiṣẹ pẹlu Megan ati ẹgbẹ lati ṣawari bi o ṣe le ṣepọ awọn ohun elo olutirasandi wọn ati acousto-optic sample cell sinu beamline gẹgẹbi wọn ko ṣe adehun gbigba data SAXS / WAXS. I22's Ayẹwo Idagbasoke Idagbasoke Ayika (SEDL) ṣe pataki ni ọran yii - ni ipilẹ ẹda-ẹda erogba aisinipo ti opo ina akọkọ laisi awọn egungun X. Ṣeun si SEDL, awọn onimọ-jinlẹ ita le mu pẹlu ohun elo amọja wọn - ninu ọran yii, olutirasandi ati awọn ọna ṣiṣe acousto-optic - ati ṣiṣẹ ni pẹkipẹki pẹlu ẹgbẹ I22 lati rii daju pe iṣọpọ ohun elo / sọfitiwia dara bi o ti le jẹ ṣaaju ṣiṣe laaye laaye. adanwo.
Kini aṣiri ti ifowosowopo aṣeyọri laarin ẹgbẹ rẹ ati awọn olumulo ipari I22?
Iṣẹ wa ni tumọ awọn ibi-afẹde imọ-jinlẹ ti awọn olumulo ita si awọn adanwo ojulowo ti yoo ṣiṣẹ ni igbẹkẹle lori tan ina. O le ṣaṣeyọri iyẹn nikan pẹlu ijiroro ṣiṣi ati ifowosowopo ọna meji. Pẹlu ẹgbẹ Megan, a ni lati ṣe triangulate lati rii daju pe ọpọlọpọ awọn ọna ṣiṣe ṣiṣẹ lainidi papọ - awọn iwadii olutirasandi, igbadun olutirasandi ati gbigba data XRD. Awọn ifowosowopo ti o dara julọ nigbagbogbo jẹ win-win, ni pe a tun kọ ẹkọ pupọ ni ọna. Ẹkọ yẹn jẹ bọtini si ilọsiwaju ilọsiwaju wa bi ẹgbẹ kan ati atilẹyin imọ-jinlẹ ti nlọ lọwọ ti a nṣe si gbogbo awọn olumulo ipari I22 wa.
Siwaju kika
MJ Povey et al. 2023 'Kikeboosi' jade awọn iwo kirisita – Iwadii mathematiki-ti ara ati idanwo J. Chem. Physics. 158 174501
- SEO Agbara akoonu & PR Pinpin. Gba Imudara Loni.
- PlatoData.Network inaro Generative Ai. Fi agbara fun ara Rẹ. Wọle si Nibi.
- PlatoAiStream. Web3 oye. Imo Amugbadun. Wọle si Nibi.
- PlatoESG. Erogba, CleanTech, Agbara, Ayika, Oorun, Isakoso Egbin. Wọle si Nibi.
- PlatoHealth. Imọ-ẹrọ Imọ-ẹrọ ati Awọn Idanwo Ile-iwosan. Wọle si Nibi.
- Orisun: https://physicsworld.com/a/sound-and-vision-synchrotron-insights-illuminate-crystal-nucleation-and-growth/
