Новий погляд на сонокристалізацію демонструє промислові перспективи завдяки експериментальним дослідженням у Diamond Light Source, національному дослідницькому центрі синхротронів Великобританії. Джо Макенті звіти
Стимульовані цікавістю дослідження з використанням ультразвукових полів малої потужності для дослідження фундаментальної фізики зародження кристалів – утворення кристалічних ядер і «зародків» у рідкій або розчинній фазі перед ростом макроскопічного кристала – відкривають шлях до нових, промислово значущих методів управління процесом кристалізації.
Хоча це ще відносно рано, вчені з Університет Лідса, Великобританія, впевнені, що їхні експериментальні та теоретичні ідеї зрештою перетворяться на інновації в технологічному обладнанні. Кінцева гра: масштабні комерційні можливості для реалізації менш енергоємних способів виробництва матеріалів, а також посиленого контролю якості в таких різноманітних галузях, як харчова промисловість, фармацевтика, агрохімія, екструзія полімерів і засоби особистої гігієни.
Очолює спеціалізовану програму з так званої «озвучення». Меган Пові, професор харчової фізики в Лідсі, який завоював міжнародну репутацію в застосуванні ультразвукової спектроскопії для визначення характеристик харчових продуктів і обробки ультразвуком у харчовому виробництві. Більш широко, пріоритети її команди охоплюють комп'ютерне та математичне моделювання харчових продуктів; комерційно розгорнуті датчики та інструменти для безпечніших харчових продуктів; і нові технології процесів для сталого виробництва. Все це базується на твердому фундаментальному розумінні властивостей, структури та поведінки матеріалів.
Розпакування основ харчування
Остання наукова спроба Пові відповідає цим основним темам дослідження. З одного боку, її команда розробляє детальні математично-фізичні моделі, засновані на випрямленні тепло- та масопереносу, щоб зрозуміти, як малопотужний ультразвук впливає на поведінку широкого спектру систем зародження. «Усьому, що я роблю в харчовій фізиці, мені потрібна теоретична основа — модель — перш ніж переходити до експериментальних аспектів», — пояснює Пові. «Зрештою, емпірикам потрібно більше, ніж емпіризм. Їм потрібні фізичні моделі, які вони можуть ітерувати та оптимізувати за допомогою реальних експериментальних даних».
Уздовж паралельної координати Пові та його колеги проводять експериментальний напрямок дослідження, який спирається на ультразвук малої потужності для контролю зародження кристалів – по суті, озвучення розчину або рідини без індукування кавітації (тобто утворення маленьких заповнених парою бульбашок або порожнечі, які можуть руйнуватися та створювати ударні хвилі в рідкому середовищі). У цьому контексті низька потужність визначається механічним індексом (MI) 0.08 або менше, мірою максимальної амплітуди імпульсу ультразвукового тиску (і достатньо низьким, щоб мінімізувати ймовірність кавітації).
«Контролюючи частоту, потужність і тривалість ультразвуку відповідно до природи матеріалу, що кристалізується, ми показали, що можна сприяти або пригнічувати утворення кристалів», — зазначає Пові. «Так само рівень контролю, який ми бачимо, є набагато більш детальним і поширюється на швидкість зародження й кристалізації, а також на кількість, розміри, геометрію [звички] та морфологію кристалів у нових мережах».
Переваги для галузі, на її думку, можуть кардинально змінити ситуацію. «Подумайте про швидше зародження й рівномірне зародження по всьому обробленому ультразвуком об’ємі, а також про створення менших, чистіших і однорідніших кристалів». Яскравим прикладом є виробництво фармацевтичних «активних речовин», де контроль поліморфу (одного хімічного виду, який може існувати в різних кристалічних структурах, які можуть змінювати свої хімічні та фізичні властивості) часто є вирішальним. «Жахливий приклад справи з талідомідом підкреслює небезпеку, притаманну виробництву неправильного поліморфу», – додає вона.
Діамант освітлює зародження кристалів
Якщо це передісторія, то що з експериментальними деталями? Головним у цьому відношенні є великі наукові можливості Алмазне джерело світла, національний синхротронний дослідницький центр Великобританії (розташований на Науково-інноваційний кампус Harwell, Оксфордшир). Даймонд є одним із елітних джерел великомасштабного рентгенівського випромінювання, який має глобальне значення та проливає світло на структуру та поведінку матерії на атомному та молекулярному рівнях у всіх видах фундаментальних і прикладних дисциплін – від технологій чистої енергії до фармацевтики. та охорона здоров'я; від харчової науки до структурної біології та культурної спадщини.
Протягом останнього десятиліття Пові та її команда були постійними відвідувачами Diamond's Промінь I22 який, починаючи з початку роботи в 2007 році, проводив спеціальну програму з досліджень м’яких речовин і полімерів, а також діяльності в галузі біологічних матеріалів і науки про навколишнє середовище. Наприклад, на I22 команда з Лідса може проводити дослідження рентгенівської дифракції (XRD) на багатоцільовому інструменті, який поєднує в собі методи малокутового та ширококутового розсіювання рентгенівських променів (SAXS/WAXS). Beamline також містить універсальну зразкову платформу для підтримки в операндо експерименти – стеження за структурною еволюцією в розчинах і розплавах, наприклад, протягом часових масштабів від мілісекунд до хвилин.
З точки зору основних специфікацій, пристрій для введення I22 доставляє рентгенівське випромінювання до зразка з енергією від 7 до 22 кеВ (і розміром променя 240 × 60 мікрон для основної лінії променя). «Одночасний запис даних SAXS і WAXS у тандемі означає, що ми можемо досліджувати всі масштаби довжини з високою роздільною здатністю – від кількох ангстрем до мезомасштабу в кілька сотень нанометрів [і мільярдів молекул]», – пояснює Пові. «Використовуючи спеціально розроблену акустооптичну комірку на лінії променя I22, ми накопичили експериментальні докази двостадійного зародження кристалів, а також вплив некавітаційного ультразвуку на кожному етапі процесу зародження».
Показовий випадок серія XRD досліджень відстеження кристалізації воску (ейкозану) з органічного розчинника в присутності та відсутності озвучуючого ультразвукового поля. Мета: дослідити вплив озвучення як на дальній порядок молекул ейкозану (через SAXS), так і на нанорозмірну молекулярну упаковку (за допомогою WAXS). Таким чином Пові та його колеги змогли ідентифікувати мезомасштабні ефекти через озвучення, які відсутні в спокійній рідині. Дослідження SAXS/WAXS також дозволили команді з Лідса охарактеризувати – і динамічно стежити – за розміром режимів, які передують етапу зародження кристалів (перед початковими ембріонами кристалів, які переходять до неконтрольованого росту кристалів).
«Наприклад, ми почнемо з виходу воску з розчину та будемо продовжувати цей процес зі швидкістю приблизно 5-6 кадрів на секунду», — пояснює Пові. Те, що вони бачать в першу чергу, - це поява далекого порядку в рідині під впливом ультразвуку. Потім, у все більш насиченому розчині, цей дальній порядок переходить у фазовий поділ у так званій «мертвій зоні», де відбувається перша стадія зародження перед утворенням кристалічних зародків. «На всіх етапах, — додає вона, — ультразвук малої потужності може змінити молекулярне впорядкування, і ми бачимо, як ці ефекти розгортаються, як фільм у реальному часі на I22».
Ми вважаємо, що наша техніка інсоніфікації може змінити правила лиття під тиском – зменшити кількість відходів, зменшити вартість і підвищити універсальність на користь екологічності
Меган Пові
Доповнюючи експерименти I22 SAXS/WAXS, Пові та аспірант Фей Шенг також використали ультразвукові методи ехо-імпульсу (широта імпульсу порядку 5 мкс) для кількісного моніторингу поведінки кристалічних ембріонів у перенасичених розчинах (тобто, що містять більше, ніж максимальне кількість розчиненої речовини, яка може бути розчинена при даній температурі). Використовуючи ультразвук для дослідження зразка водного сульфату міді в акустооптичній камері, вони змогли виміряти появу та подальше зникнення твердого матеріалу, пов’язаного з кристалічними ембріонами.
Саме ця здатність відстежувати та контролювати кристалічні зародки, що виникають у мертвій зоні – де кристалізація поводиться як казино за відсутності акустичного контролю – має потенціал трансформувати широкий спектр промислових процесів. Однією з найближчих комерційних можливостей, яка вже обговорюється з галузевими партнерами, є формування пластикових деталей шляхом лиття під тиском – традиційно енергетично витратний процес, який іноді невдалий. «Ми вважаємо, що наша техніка інсоніфікації може переписати правила лиття під тиском — зменшити кількість відходів, знизити вартість і підвищити універсальність на користь сталого розвитку», — стверджує Пові.
З лабораторії на фабрику
Тим часом прикладна науково-дослідна робота спрямована на інші аспекти технологічного перекладу, зокрема на інтеграцію теоретичної основи Пові для інсоніфікації та зародження кристалів із обчислювальним моделюванням дисипативної динаміки частинок (DPD) (методика мезоскопічного моделювання, яка актуальна для різноманітних складних гідродинамічних явищ) . Мотивація полягає в тому, щоб розробити метод прогнозування, здатний моделювати вплив ультразвукових полів малої потужності на широкий спектр систем зародження – і, як наслідок, надійно та повторювано контролювати утворення кристалів.
Діяльність на фронті ДПД очолює в Lewtas Science and Technologies, британська консалтингова компанія, яка спеціалізується на передових матеріалах і працює у співпраці з Національний центр цифрових інновацій Хартрі, британська компанія, яка підтримує передачу та комерціалізацію технологій у сфері передових обчислень і програмного забезпечення.
Ти те що ти їсиш
Важливо, що Пові та Кен Льютас, дослідник полімерів, який очолює однойменну консалтингову компанію, також подали міжнародний патент для захисту інтелектуальної власності щодо використання озвучення в ряді промислових контекстів, включаючи (але не обмежуючись) темперування шоколаду (процес повільного нагрівання, а потім охолодження шоколаду, щоб молекули жиру кристалізувалися в шоколад із бажаними властивостями блиску, клацання та охолодження в роті); кристалізація термопластичних полімерів (для контролю механічних, оптичних або бар'єрних властивостей); і навіть парафінування дизельного палива та мазуту (що може вплинути на потік палива за низьких температур).
«Ми сподіваємося, — підсумовує Пові, — що партнери з промисловості швидше за все зможуть регулярно застосовувати нашу техніку озвучення та ультразвук малої потужності для сприяння або придушення кристалізації в різноманітних виробничих процесах».
Секрети успіху в синхротронології
Нік Террілл є головним науковим співробітником багатоцільової установки I22 компанії Diamond SAXS/WAXS. Ось він розповідає Світ фізики як його команда з п’яти штатних вчених підтримує програму харчової фізики Університету Лідса з сонокристалізації.
Скільки планування йде на таку багаторічну дослідницьку роботу?
Наша взаємодія з Меган і колегами починається задовго до них на місці час променя на I22. Таким чином, збір вимог передбачає віртуальні та виїзні зустрічі протягом кількох місяців, щоб переконатися, що ми всі говоримо однією мовою та що експериментальна установка на лінії променя оптимізована для надання необхідних даних, коли їм це потрібно. Немає коротких шляхів, лише вичерпна підготовка: потрібне багато планування та ітерацій, щоб гарантувати, що наукові користувачі отримають якісні результати, поки вони тут, на I22, протягом трьох-чотирьох днів експериментів.
Імовірно, велика увага приділяється системній інтеграції?
Правильно. У цьому випадку ми витратили багато часу на роботу з Меган та командою, щоб з’ясувати, як інтегрувати їх ультразвукове обладнання та акустооптичну кювету для зразків у лінію променя, щоб вони не скомпрометували збір даних SAXS/WAXS. Спеціалізована лабораторія розробки зразків середовища (SEDL) I22 має вирішальне значення в цьому відношенні – фактично офлайнова копія основного променя без рентгенівського випромінювання. Завдяки SEDL сторонні науковці можуть взяти із собою свій спеціальний набір – у цьому випадку ультразвукову та акустооптичну підсистеми – і тісно співпрацювати з командою I22, щоб переконатися, що інтеграція апаратного та програмного забезпечення є настільки якісною, наскільки це можливо до запуску в реальному часі. експерименти.
У чому секрет успішної співпраці між вашою командою та кінцевими користувачами I22?
Наша робота полягає в тому, щоб перетворити наукові цілі зовнішніх користувачів у реалістичні експерименти, які будуть надійно виконуватися на лінії променя. Цього можна досягти лише за допомогою відкритого діалогу та двосторонньої співпраці. Разом із командою Меган нам довелося провести тріангуляцію, щоб переконатися, що цілий ряд методів бездоганно працює разом – ультразвукова діагностика, ультразвукове збудження та збір даних XRD. Найкраще співробітництво завжди є безпрограшним, оскільки ми також отримуємо багато уроків на цьому шляху. Це навчання є ключовим для нашої постійної вдосконалення як команди та постійної наукової підтримки, яку ми пропонуємо всім нашим кінцевим користувачам I22.
Подальше читання
М. Дж. Пові та інші 2023 «Зондування» кристалічних ядер – Математико-фізичне та експериментальне дослідження J. Chem. фіз. 158 174501
- Розповсюдження контенту та PR на основі SEO. Отримайте посилення сьогодні.
- PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Додайте собі сили. Доступ тут.
- PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Розширення знань. Доступ тут.
- ПлатонЕСГ. вуглець, CleanTech, Енергія, Навколишнє середовище, Сонячна, Поводження з відходами. Доступ тут.
- PlatoHealth. Розвідка про біотехнології та клінічні випробування. Доступ тут.
- джерело: https://physicsworld.com/a/sound-and-vision-synchrotron-insights-illuminate-crystal-nucleation-and-growth/
