اتمیزه شدن اولتراسونیک

بندانگشتی|200x200پیکسل|نمونه‌ای از نازل اولتراسونیک برای اتمیزه‌سازی
اتمیزه شدن اولتراسونیک فرایندی است که در آن یک مایع، هنگام تماس با سطحی که با فرکانس‌های فراصوتی ارتعاش می‌کند، امواج موئینی ایستا ایجاد می‌کند که منجر به پرتاب قطرات ریز می‌شود. 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.

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.

## مکانیزم و اصول
راست|بندانگشتی|Ultrasonic atomization
تشکیل قطرات در طی اتمیزه‌سازی اولتراسونیک همچنان پدیده‌ای پیچیده و به‌طور کامل درک نشده است، هرچند نظریه‌های مختلفی برای توضیح آن ارائه شده‌اند.

یکی از نظریه‌های اصلی، فرضیهٔ موج موئینی لانگ است که بیان می‌کند قطرات در قلهٔ امواج موئینی روی سطح مایع تشکیل می‌شوند. لانگ فرمولی توسعه داد که اندازهٔ قطرات را به طول موج موئینی مرتبط می‌کرد. 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.

نظریهٔ جایگزین، فرضیهٔ کاویتاسیون سولنر است. 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.

### 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.

### فلزات مذاب
راست|بندانگشتی|200x200پیکسل|نخستین اتمیزه‌کننده فلزات با فراصوت
در سال 1965، پولمن و شتام کتابی منتشر کردند که نقشی مهم در پیشبرد حوزه اتمیزه‌سازی اولتراسونیک داشت و پارامترهای مؤثر بر این فرایند مانند ویسکوزیته، طول موج موئینی، کشش سطحی و دامنه ارتعاش را شناسایی و توضیح داد. یکی از فصل‌های کلیدی این کتاب با عنوان «5.1 Vernebelung geschmolzener Metalle» نخستین آزمایش‌ها روی اتمیزه‌سازی اولتراسونیک در دمای بالا را که با استفاده از فلزات مذاب انجام شده بود، تشریح می‌کرد. 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..
چپ|بندانگشتی|206x206پیکسل|نمونه‌ای از فلز مذاب
تا پیش از سال 2016، اتمیزه‌سازی اولتراسونیک فلزات عمدتاً در مرحلهٔ آزمایشگاهی باقی مانده بود و با مشکلاتی مانند فرسایش سوناترود، ناپایداری فرایند و دشواری در تولید پودرهای کروی مواجه بود. 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. با این حال، اتمیزه‌سازی گازی نیز محدودیت‌هایی برای ساخت افزودنی فلزات داشت: پودرها اغلب شامل ذرات جانبی و تخلخل گازی بودند، توزیع اندازه ذرات گسترده و شامل بخش قابل توجهی از ذرات درشت بود و برای آلیاژهای واکنشی مانند تیتانیوم کمتر مناسب بود، که نیاز به روش‌های بدون کوره مانند Electrode Induction Melting Gas Atomization (EIGA) داشت. 
راست|بندانگشتی|200x200پیکسل|نخستین اتمیزه‌کننده فلزات فشرده اولتراسونیک
در سال 2016، سیستمی فشردهٔ برای اتمیزه‌سازی اولتراسونیک فلزات توسعه یافت که هدف آن رفع محدودیت‌های روش‌های معمول تولید پودر برای ساخت افزودنی (Additive Manufacturing) و آلیاژهای دمای بالا بود. 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. اتمیزه‌سازی اولتراسونیک در محدودهٔ این پروژه لحاظ نشده بود.
بندانگشتی|195x195پیکسل|نخستین واحد آزمایشگاهی اتمیزه‌کننده اولتراسونیک در یک آزمایشگاه چاپ سه‌بعدی فلز در سال ۲۰۱۹
واحد آزمایشگاهی اتمیزه‌سازی اولتراسونیک در سال 2018 معرفی شد و نخستین نصب آن در سال 2019 در یک آزمایشگاه چاپ سه‌بعدی فلز انجام گرفت. در همان سال، فروش تجاری این سیستم‌ها به سازمان‌های صنعتی و پژوهشی آغاز شد.

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.

در سال ۲۰۱۹، پس از عرضه موفقیت‌آمیز اتمیزه‌کننده‌های ATO، لوکاش زردوفسکی گامی فراتر گذاشت و با همکاری نزدیک با دانشگاه صنعتی ورشو، شرکت اقماری AMAZEMET sp. z o.o. را تأسیس کرد . 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.
راست|بی‌قاب|227x227پیکسل|Feeding options for induction ultrasonic metal atomization
در سال ۲۰۲۳، شرکت 3D LAB یک نوآوری مهم را معرفی کرد: ماژول ATO Induction Melting System (IMS) . 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. 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.
چپ|بندانگشتی|250x250پیکسل|PVCC_Dominion_Engineering_Lab_Dedication_(30809389751)
در همین سال، شرکت 3D LAB پلتفرم جدید خود را با نام ATO Suite [51] معرفی کرد. این پلتفرم، اتمیزه‌کننده‌های التراسونیک و دستگاه‌های جانبی مورد نیاز برای تولید پودرهای فلزی را در یک سیستم یکپارچه، گرد هم آورده است. ATO Suite شامل چندین مدل اتمیزه‌کننده بود: مدل ATO Lab Plus برای آلیاژهای واکنش‌پذیر و غیرواکنش‌پذیر، مدل ATO Noble برای فلزات گران‌بها و مدل ATO IMS برای فلزات با نقطهٔ ذوب پایین. 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. این ویژگی باعث می‌شود در فرآیندهایی که نیاز به مه‌پاشی یکنواخت یا تولید آئروسل‌های کنترل‌شده دارند، اتمیزه شدن اولتراسونیک کارایی بالایی داشته باشد.  

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.  

با این حال، محدودیت‌هایی نیز وجود دارد. 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. همچنین فرسایش سطح مبدل یا سونوتروود در اثر کارکرد طولانی‌مدت می‌تواند عمر مفید دستگاه را کاهش دهد.  

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. در شرایط کاری پیوسته و توان بالا، نیاز به خنک‌کاری سیستم نیز از دیگر چالش‌های این فناوری به شمار می‌رود.  

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.  
## پیوند به بیرون
* Novel applications of ultrasonic atomization in the manufacturing of fine chemicals, pharmaceuticals, and medical devices – PubMed
* On the Development of Focused Ultrasound Liquid Atomizers – Advances in Acoustics and Vibration
* Ultrasonic Atomizer – NIST (National Institute of Standards and Technology)
* Ultrasonic Atomization as a Method for Testing Material Properties of Liquid Metals – PMC

## منابع
رده:فراصوت