موضوع مقاله: اتمیزه شدن اولتراسونیک | مخاطب: عمومی | لحن: دانشنامه‌ای | ساختار: عنوان، مقدمه، 3 بخش، جمع‌بندی | مقاله: | # اتمیزه شدن اولتراسونیک | مقدمه: با افزایش دامنه این امواج، قله‌های موج می‌توانند به ارتفاع بحرانی برسند که در آن نیروهای پیوستگی مایع بر اثر کشش سطحی غلبه می‌کنند و در نتیجه قطرات کوچکی از نوک موج جدا و پرتاب می‌شوند. | ## بخش 1: اتمیزه شدن اولتراسونیک | این فناوری به دلیل توانایی در تولید قطرات یکنواخت و با اندازهٔ بسیار کوچک، در زمینه‌هایی همچون داروسازی، اسپری‌سازی سوخت، تولید نانوذرات و مه‌پاشی صنعتی کاربرد گسترده‌ای پیدا کرده است. یکی از نظریه‌های اصلی، فرضیهٔ موج موئینی لانگ است که بیان می‌کند قطرات در قلهٔ امواج موئینی روی سطح مایع تشکیل می‌شوند. برآورد قطر متوسط با استفاده از یک ثابت به دست آمد که بعدها توسط یاسودا اصلاح شد تا پیش‌بینی دقیق‌تری از قطرات کوچکتر در محدودهٔ میکرومتری ارائه دهد. این پیش‌بینی با نتایج به‌دست‌آمده از پراش لیزری همخوانی خوبی دارد، هرچند روش‌های دیگر قطرات ریزتری را شناسایی کرده‌اند که مدل لانگ آن‌ها را در نظر نمی‌گیرد. این نظریه تشکیل قطرات را به کاویتاسیون مرتبط می‌سازد؛ پدیده‌ای که در آن حباب‌ها به‌سرعت تشکیل و فرو می‌ریزند و در اثر آن موج‌های ضربه‌ای ایجاد می‌شوند که سطح مایع را به قطرات خرد می‌کنند. یافته‌های سولنر نشان می‌دهد کاویتاسیون برای پراکندگی مایعات حیاتی است و شباهت‌هایی با فرایند تشکیل امولسیون دارد. بعدها نظریه‌ای ترکیبی توسط بوگرسلاوسکی و اکنادیوسیانتس ارائه شد که بیان می‌کرد هر دو مکانیزم با هم عمل می‌کنند؛ به این صورت که موج‌های ضربه‌ای ناشی از کاویتاسیون، شکست قله‌های موج موئینی را تقویت کرده و به تشکیل قطرات منجر می‌شوند. با این حال، این نظریه با تردیدهایی مواجه است، زیرا کاویتاسیون به توان بالایی در فرکانس‌های مگاهرتز نیاز دارد و برخی پژوهشگران معتقدند این توان برای تحقق این مکانیزم در عمل بیش از حد زیاد است. افزون بر این نظریه‌ها، پژوهش‌های جدید نشان داده‌اند که ویژگی‌های فیزیکی مایع، همچون ویسکوزیته و کشش سطحی، نقش تعیین‌کننده‌ای در اندازه و توزیع قطرات دارند. به‌طور کلی، مایعات با ویسکوزیتهٔ پایین و کشش سطحی کمتر، تمایل بیشتری به تولید قطرات ریزتر دارند. همچنین فرکانس ارتعاش نیز اثر مستقیمی بر فرآیند دارد؛ به‌طوری که افزایش فرکانس معمولاً منجر به کاهش اندازهٔ متوسط قطرات می‌شود. این یافته‌ها اهمیت طراحی دقیق پارامترهای دستگاه‌های اولتراسونیک را برای دستیابی به بازدهی بالاتر و کنترل بهتر بر روی اندازه قطرات نشان می‌دهد. تاریخچه پدیدهٔ اتمیزه‌سازی اولتراسونیک نخستین بار توسط وود و لومیس در سال 1927 گزارش شد. آن‌ها مشاهده کردند که زمانی که لایه‌ای از مایع در معرض امواج صوتی با فرکانس بالا قرار می‌گیرد، مه بسیار ریزی از سطح مایع تولید می‌شود. کار وود و لومیس نشان‌دهندهٔ طیفی از کاربردهای احتمالی برای فراصوت بود که بسیاری از آن‌ها در دهه‌های بعدی با پیشرفت در زمینهٔ تولید امواج فراصوت (پیزوالکتریسیته)، انتقال آن (مواد سوناترود) و کنترل (آنالیزورهای هورن) به واقعیت پیوست. اتمیزه‌سازی محلول‌های آبی اولین کاربرد تجاری اثر اتمیزه‌سازی اولتراسونیک، نبولایزرها بود. نبولایزرهای اولتراسونیک برای نخستین بار در سال 1949 ظاهر شدند و در ابتدا به‌عنوان دستگاه‌های رطوبت‌ساز طراحی شده بودند. متخصصان پزشکی به سرعت پتانسیل آن‌ها را برای ارائهٔ آئروسل‌های درمانی مناسب برای استنشاق تشخیص دادند و این امر منجر به وارد کردن داروها در فرآیند نبولایزر شد. نبولایزرهای اولتراسونیک در درمان بیماری‌های مختلف تنفسی از جمله آسم و فیبروز کیستیک مورد استفاده قرار گرفته‌اند. توانایی آن‌ها در رساندن مستقیم دارو به ریه‌ها، این دستگاه‌ها را به ابزاری ارزشمند در مدیریت این بیماری‌ها تبدیل کرده است. علاوه بر کاربردهای پزشکی، نبولایزرهای اولتراسونیک در صنایع دیگر نیز مورد استفاده قرار گرفته‌اند. این دستگاه‌ها می‌توانند محلول‌های آبی را با دقت بالا به ذرات ریز تبدیل کنند، که برای تولید پوشش‌های نازک، رطوبت‌دهی محیط‌های حساس و انجام آزمایش‌های شیمیایی یا زیستی بسیار مفید است. پیشرفت در طراحی نازل‌ها و کنترل فرکانس اولتراسونیک باعث افزایش بازده اتمیزه شدن و یکنواختی اندازه ذرات شده است، که کاربردهای صنعتی و تحقیقاتی این فناوری را گسترش داده است. | ## بخش 2: اتمیزه شدن اولتراسونیک | محلول‌های آبی حاوی مشتقات فلزی در اواخر قرن بیستم، دانشمندانی که به مطالعه سنتز نانوذرات از طریق اسپری پیرولیز می‌پرداختند، اتمیزه‌سازی اولتراسونیک را به‌عنوان یک تکنیک امیدوارکننده برای تشکیل قطرات پیش‌ماده، به ویژه در محلول‌های نمک فلزات نجیب، آزمایش کردند. این روش که با نام پیرولیز اسپری اولتراسونیک (USP) شناخته می‌شود، امکان کنترل دقیق‌تر اندازه ذرات را فراهم می‌کرد، زیرا اندازه ذرات به شدت به فرکانس وابسته است و این ویژگی، آن را برای نانومواد مورد استفاده در دستگاه‌های الکترونیکی، سلول‌های خورشیدی و باتری‌ها مناسب می‌ساخت. تا دهه‌های 1980 و 1990، اتمیزه‌سازی اولتراسونیک جای خود را باز کرد، زیرا پژوهشگران توانایی آن را در تولید اکسیدهای پیچیده و سایر مواد ضروری برای ذخیره‌سازی انرژی مانند باتری‌های لیتیوم-یون نشان دادند. تا اوایل دهه 2000، این روش به بخشی جدایی‌ناپذیر از صنایع تبدیل شده بود که به دنبال پوشش‌های یکنواخت و فیلم‌های نانوذره‌ای بودند و تاثیر اتمیزه‌سازی اولتراسونیک بر تولید صنعتی را به اثبات رساند. در سال‌های اخیر، پیشرفت در طراحی نازل‌های اولتراسونیک و کنترل دقیق فرکانس و دامنه ارتعاش، امکان تولید قطرات یکنواخت‌تر و پایدارتر را فراهم کرده است. این بهبودها باعث شده‌اند که پیرولیز اسپری اولتراسونیک برای تولید نانوذرات با توزیع اندازه دقیق‌تر و شکل کروی مطلوب‌تر بسیار موثر باشد. علاوه بر این، ترکیب این روش با تکنیک‌های کنترل جو گاز و دما، امکان سنتز نانوذرات فلزی و اکسیدهای پیچیده با کیفیت بالا و بازده صنعتی مناسب را فراهم کرده است. چنین پیشرفت‌هایی باعث شده‌اند که اتمیزه‌سازی اولتراسونیک نقش کلیدی در تولید مواد پیشرفته برای الکترونیک، سلول‌های خورشیدی و باتری‌های مدرن ایفا کند و به‌عنوان یک فناوری صنعتی مهم پذیرفته شود. آن‌ها پتانسیل کاربردهای فنی و محدودیت‌های این روش را مورد بحث قرار دادند و بیان کردند که انتقال از آزمایشگاه موفق به یک واحد فنی قابل استفاده هنوز میسر نشده است، به دلیل مشکلات مربوط به تر شوندگی و دوام سوناترود. آن‌ها توانستند سرب را در دمای 350 درجه سانتی‌گراد اتمیزه کنند و آسیب‌های وارد شده به سوناترود ناشی از کاویتاسیون را نشان دادند. در سال 1967، لیِرکه و گریس‌هامر کار خود را منتشر کردند و در آن توانستند فلزاتی با نقطه ذوب تا 700 درجه سانتی‌گراد را به‌صورت اولتراسونیک اتمیزه کنند.. این چالش‌ها به علت خنک‌سازی ناکافی هورن اولتراسونیک و کنترل محدود جو گاز خنثی ایجاد می‌شد. در مقابل، اتمیزه‌سازی گازی روش صنعتی تثبیت‌شده بود که دسته‌های کیلوگرمی با خروجی نسبتاً یکنواخت تولید می‌کرد. در سال 2017، درخواست ثبت اختراع دستگاه ارائه شد و لوکاش زردوفسکی، رابرت رالوویچ، یاکوب روزپندوفسکی و کاتارزینا چارنِکا به‌عنوان مخترعان معرفی شدند. در همان سال، نمونهٔ اولیهٔ اتمیزه‌کنندهٔ فلز اولتراسونیک فشرده، در نمایشگاه تجاری Formnext 2017 در فرانکفورت به‌طور عمومی معرفی شد. در سال 2017، لوکاش زردوفسکی بورسیهٔ از وزارت علوم و آموزش عالی لهستان دریافت کرد برای پژوهش در زمینه چاپ سه‌بعدی لیزری با پودر در تخت (Laser Powder Bed Fusion) روی شیشه‌های فلزی انبوه، یک کلاس از مواد آمورف پیشرفته که به دلیل مقاومت مکانیکی و خوردگی شناخته می‌شوند. یک مدل پیشرفته‌تر از این دستگاه، امکان پردازش مواد با نقاط ذوب بالا را فراهم می‌کرد و از یک سوناترود خنک‌شده با آب، حرارت‌دهی با قوس TIG و محیط کنترل‌شدهٔ گاز خنثی استفاده می‌کرد. بر اساس گزارش‌های شرکت، این فرایند تولید پودرهای فلزی با کرویّت بالا و محتوای کم اکسیژن را ممکن می‌ساخت. این شرکت که پیش از آن با نام Uniq فعالیت می‌کرد، هدف خود را بر تحقیق و توسعهٔ روش‌های نوین اتمیزاسیون فلزات قرار داد. از آن زمان، پژوهش‌های گسترده‌ای بر روی فرآیندهای ذوب در بوته‌های سرد و رویکردهای پیشرفتهٔ مبتنی بر ذوب القایی آغاز شد. این تحقیقات با هدف بهینه‌سازی عملکرد سیستم‌ها، افزایش کارایی و کاهش هزینه‌های تولید انجام گرفت. این سیستم پیشرفته، با تلفیق فناوری ذوب القایی، به طور خاص برای کار با فلزات با نقطهٔ ذوب پایین طراحی شده بود. یکی از برجسته‌ترین ویژگی‌های این سیستم، ارائهٔ دو پیکربندی منحصربه‌فرد برای تغذیهٔ مواد بود که هر کدام مزایای خاص خود را داشتند. | ## بخش 3: اتمیزه شدن اولتراسونیک | اولین گزینه، یک بوته با قابلیت کنترل فشار بود که امکان فرآوری مواد اولیهٔ فلزی جامد و ناهمگن را فراهم می‌کرد و به مهندسان اجازه می‌داد آلیاژسازی را به صورت مستقیم در محل انجام دهند. گزینهٔ دوم، یک فیدر میله‌ای بدون تماس بود که برای به حداقل رساندن تلفات تبخیر و جلوگیری از آلودگی مواد در حین فرآیند طراحی شده بود. بر اساس گزارش‌های منتشرشده از سوی شرکت، آزمایش‌های دقیقی با فلزاتی همچون آلومینیوم ، مس ، منیزیم و طلا انجام گرفت. نتایج این آزمایش‌ها نشان داد که این فرآیند قادر به تولید پودرهایی با کرویّت بسیار بالا و محتوای اکسیژن پایین است ، که این دستاورد، گواهی بر پیشرفت چشمگیر در کیفیت تولید پودرهای فلزی برای کاربردهای صنعتی پیشرفته است. در سال ۲۰۲۴، مقاله‌ای مشترک به سرپرستی دیمیتری اِسکین و یاکووُس تزِناکیِس منتشر شد که بینش‌های جدیدی را در مورد مکانیسم اتمیزاسیون التراسونیک ارائه داد . این مقاله، اهمیت حیاتی کاویتاسیون در این فرآیند را توضیح می‌داد و برای نخستین بار با استفاده از تصویربرداری با سرعت بالا، از این پدیده فیلم‌برداری شده بود. در این آزمایش‌ها، از یک سوناترود ساخته‌شده از فیبر کربن مقاوم در برابر دمای بالا استفاده شد تا آلومینیوم خالص مذاب در دمای ۸۰۰ درجهٔ سانتی‌گراد اتمیزه شود. علاوه بر این، این اتمیزه‌کنندهٔ التراسونیک برای اتمیزه کردن آلیاژ منیزیم و فلزاتی با نقطهٔ ذوب بیش از ۱۵۰۰ درجهٔ سانتی‌گراد، مانند آلیاژ زیرکونیوم ، آلیاژ تیتانیوم و آلیاژهای با آنتروپی بالا نیز به کار گرفته شد. این پلتفرم، اتمیزه‌کننده‌های التراسونیک و دستگاه‌های جانبی مورد نیاز برای تولید پودرهای فلزی را در یک سیستم یکپارچه، گرد هم آورده است. همچنین دستگاه‌های جانبی مانند کورهٔ ریخته‌گری در خلأ، ایستگاه الک‌زنی و واحدهای تمیزکاری برای مواد اولیه و قطعات اتمیزه‌کننده نیز در این پلتفرم گنجانده شده‌اند. معماری این سیستم، با بهره‌گیری از اتمیزه‌کننده‌های ماژولار، چندین گزینه برای فرکانس التراسونیک و سیستم‌های تغذیهٔ متنوع، امکان فرآوری اشکال مختلف مواد اولیه را فراهم کرده تا پودرهایی با توزیع اندازهٔ ذرات دقیق و مناسب برای ساخت افزودنی تولید شوند. طراحی این پلتفرم با هدف حمایت از اقتصاد چرخشی مواد و استفادهٔ مجدد از ضایعات فلزی از طریق تبدیل آن‌ها به پودر برای ساخت افزودنی صورت گرفته است. همچنین، این سیستم دارای عملکردهای خودکار و کنترل از راه دور بوده و برای استفاده در محیط‌های آزمایشگاهی و صنعتی طراحی شده است. نوآوری‌های کلیدی این شرکت، از جمله سوناترود التراسونیک با قابلیت خنک‌سازی آبی و سیستم پیشرفتهٔ مدیریت گاز بی‌اثر، با دریافت حق اختراع در ایالات متحده ، چین ، ژاپن و کرهٔ جنوبی محافظت می‌شوند. مزایا و محدودیت‌ها اتمیزه شدن اولتراسونیک در مقایسه با سایر روش‌های اتمیزه‌سازی دارای ویژگی‌هایی است که آن را برای برخی کاربردها بسیار مناسب می‌سازد، هرچند محدودیت‌هایی نیز دارد که استفاده از آن را در مقیاس‌های خاص دشوار می‌کند. یکی از مهم‌ترین مزایای این روش، امکان تولید قطرات بسیار ریز با توزیع اندازه یکنواخت است. مزیت دیگر این روش، مصرف انرژی نسبتاً پایین در مقیاس‌های کوچک و امکان طراحی دستگاه‌های جمع‌وجور با سطح صدای کم است. این موضوع باعث شده که اتمیزه‌کننده‌های اولتراسونیک در صنایع پزشکی، داروسازی و حتی مصارف خانگی مانند مرطوب‌کننده‌های هوا به‌طور گسترده مورد استفاده قرار گیرند.Barret, David. یکی از اصلی‌ترین محدودیت‌ها ظرفیت پایین این روش در مقایسه با اتمیزه‌سازی‌های صنعتی در مقیاس بزرگ است. به بیان دیگر، اگرچه برای دبی‌های کم تا متوسط کارایی بسیار خوبی دارد، اما در مواردی که نیاز به تولید حجم بالایی از ذرات وجود دارد، کارآمد نیست. مایعات با ویسکوزیته بالا یا کشش سطحی زیاد نیز به سختی توسط امواج اولتراسونیک اتمیزه می‌شوند، که این موضوع دامنه‌ی کاربرد این روش را محدود می‌کند. | ## جمع‌بندی | با توجه به این موارد می‌توان گفت که اتمیزه شدن اولتراسونیک در مقایسه با روش‌های متداول‌تر مانند اتمیزه‌سازی با گاز یا فشار بالا، بیشتر برای کاربردهای دقیق و تخصصی مناسب است تا تولید انبوه.Liu, H., and R.