Birleşik Krallık'ın ulusal sinkrotron araştırma tesisi olan Diamond Light Source'taki deneysel araştırmalar sayesinde sonokristalizasyona yeni bir bakış açısı endüstriyel umut vaat ediyor. Joe McEntee raporları
Kristal çekirdeklenmesinin temel fiziğini (makroskopik kristal büyümesinden önce sıvı veya çözelti fazında kristal çekirdeklerinin ve "embriyoların" oluşumu) araştırmak için düşük güçlü ultrason alanlarını kullanan merak odaklı araştırma, yeni, endüstriyel açıdan önemli yöntemlere yol açıyor kristalizasyon için proses kontrolünün sağlanması.
Henüz nispeten erken olmasına rağmen, bilim insanları University of Leeds, Birleşik Krallık, deneysel ve teorik içgörülerinin eninde sonunda proses-ekipman yeniliğine dönüşeceğinden emin. Oyunun sonu: gıda üretimi, ilaç, tarım kimyasalları, polimer ekstrüzyonu ve kişisel bakım ürünleri gibi çok çeşitli endüstrilerde daha az enerji yoğun malzeme üretimi modlarının yanı sıra gelişmiş kalite kontrolünün gerçekleştirilmesine yönelik ölçekli ticari fırsatlar.
"İnsonifikasyon" adı verilen uzmanlık programının başkanlığını Megan PoveyGıda karakterizasyonu ve gıda üretiminde ultrason işleme için ultrason spektroskopisinin uygulanmasında uluslararası bir üne sahip olan Leeds'de gıda fiziği profesörü. Daha geniş anlamda, ekibinin öncelikleri gıdaların bilgisayar ve matematiksel modellemesini kapsıyor; daha güvenli gıda maddeleri için ticari olarak konuşlandırılabilir sensörler ve enstrümantasyon; ve sürdürülebilir üretim için yeni proses teknolojileri. Bunların hepsi malzeme özellikleri, yapısı ve davranışına ilişkin sağlam ve temel bir anlayış üzerine inşa edilmiştir.
Gıdanın temellerini ambalajdan çıkarmak
Povey'nin en son bilimsel çabası bu temel araştırma temalarıyla örtüşüyor. Bir yandan ekibi, düşük güçlü ultrasonun çok çeşitli çekirdeklenme sistemlerinin davranışını nasıl etkilediğini anlamak için ısı ve kütle aktarımının düzeltilmesine dayanan ayrıntılı matematiksel-fiziksel modeller geliştiriyor. Povey, "Gıda fiziğinde yaptığım her şeyin deneysel yönlerine geçmeden önce teorik bir desteğe - bir modele - ihtiyacım var" diye açıklıyor. “Sonuçta ampiristlerin ampirizmden daha fazlasına ihtiyacı var. Gerçek dünyadaki deneysel verilerle yineleyebilecekleri ve optimize edebilecekleri fiziksel modellere ihtiyaçları var."
Paralel bir koordinat boyunca, Povey ve meslektaşları kristal çekirdeklenmesini kontrol etmek için düşük güçlü ultrasona dayanan deneysel bir araştırma hattını takip ediyorlar - aslında, bir çözeltinin veya sıvının kavitasyona neden olmadan (yani küçük buharla dolu kabarcıkların oluşumu) veya sıvının sonifikasyonu. sıvı ortamı içinde çökebilecek ve şok dalgaları oluşturabilecek boşluklar). Bu bağlamda düşük güç, ultrasonik basınç darbesinin maksimum genliğinin bir ölçüsü olan (ve kavitasyon olasılığını en aza indirecek kadar düşük) 0.08 veya daha düşük bir mekanik indeks (MI) ile tanımlanır.
Povey, "Kristalleşen malzemenin doğasına göre ultrason frekansını, gücünü ve süresini kontrol ederek, kristal oluşumunu teşvik etmenin veya bastırmanın mümkün olduğunu gösterdik" diye belirtiyor. "Aynı şekilde, gördüğümüz kontrol seviyesi çok daha ayrıntılı ve ortaya çıkan ağlardaki kristallerin sayıları, boyutları, geometrileri (alışkanlıkları) ve morfolojisinin yanı sıra çekirdeklenme ve kristalleşme hızlarına da uzanıyor."
Endüstrinin olumlu yanlarının oyunun kurallarını değiştirebileceğini düşünüyor. "Sonikasyona tabi tutulan hacim boyunca daha hızlı çekirdeklenme ve tekdüze çekirdeklenmenin yanı sıra daha küçük, daha saf ve daha tekdüze kristallerin oluşumunu düşünün." Bunun bir örneği, polimorfun (kimyasal ve fiziksel özelliklerini değiştirebilen, farklı kristal yapılarda bulunabilen tek bir kimyasal tür) kontrolünün sıklıkla hayati önem taşıdığı farmasötik "aktif maddelerin" üretimidir. "Talidomid olayının korkunç örneği, yanlış polimorf üretiminin doğasında var olan tehlikeleri vurguluyor" diye ekliyor.
Elmas kristal çekirdeklenmesini aydınlatıyor
Eğer arka hikaye buysa, deneysel detay ne olacak? Bu bağlamda ön planda ve merkezde, büyük bilimsel yetenekler yer alıyor. Elmas ışık kaynağıBirleşik Krallık'ın ulusal sinkrotron araştırma tesisi Harwell Bilim ve İnovasyon Kampüsü, Oxfordshire). Küresel çapta önem taşıyan Diamond, temiz enerji teknolojilerinden ilaca kadar her türlü temel ve uygulamalı disiplinde atomik ve moleküler düzeyde maddenin yapısına ve davranışına ışık tutan büyük ölçekli X-ışını kaynaklarından oluşan seçkin bir kadro arasında yer alıyor. ve sağlık hizmetleri; Gıda biliminden yapısal biyoloji ve kültürel mirasa kadar.
Son on yılda Povey ve ekibi Diamond's'ı düzenli olarak ziyaret ediyor. I22 ışın çizgisi 2007 yılında faaliyete geçmesinden bu yana yumuşak madde ve polimer araştırmalarının yanı sıra biyolojik materyaller ve çevre bilimlerindeki faaliyetlere yönelik özel bir programa ev sahipliği yaptı. Örneğin I22'de Leeds ekibi, küçük açılı ve geniş açılı X-ışını saçılımı (SAXS/WAXS) yöntemlerini birleştiren çok amaçlı bir cihaz üzerinde X-ışını kırınımı (XRD) çalışmaları yürütebiliyor. Işın hattı aynı zamanda çok yönlü bir numune platformu da içermektedir. operandada deneyler – örneğin milisaniyelerden dakikalara kadar zaman ölçeklerinde çözümlerdeki ve erimelerdeki yapısal evrimi takip etmek.
Çekirdek spesifikasyonları açısından I22 yerleştirme cihazı, 7 ila 22 keV arasındaki enerjilere (ve ana ışın hattı için 240 × 60 mikron ışın boyutuna) sahip X ışınlarını numuneye iletir. Povey, "Hem SAXS hem de WAXS verilerinin eşzamanlı olarak kaydedilmesi, birkaç angstromdan birkaç yüz nanometrelik (ve milyarlarca moleküle) mezo ölçeğe kadar tüm uzunluk ölçeklerini yüksek çözünürlükle inceleyebileceğimiz anlamına geliyor" diye açıklıyor. "I22 ışın hattında özel olarak tasarlanmış bir akustik-optik hücre kullanarak, iki aşamalı kristal çekirdeklenmesinin yanı sıra kavitasyonsuz ultrasonun çekirdeklenme sürecindeki her adım üzerindeki etkisine ilişkin deneysel kanıtlar biriktirdik."
Konuyla ilgili bir dava bir dizi XRD çalışması Sonlandırıcı bir ultrason alanının varlığında ve yokluğunda bir balmumunun (eikosan) organik bir çözücüden kristalleşmesinin izlenmesi. Amaç: Sonifikasyonun hem eikosan moleküllerinin uzun menzilli düzeni (SAXS yoluyla) hem de nano ölçekli moleküler paketleme (WAXS kullanılarak) üzerindeki etkilerini araştırmak. Bu şekilde Povey ve meslektaşları, hareketsiz sıvıda bulunmayan insonifikasyon nedeniyle orta ölçekli etkileri tespit edebildiler. SAXS/WAXS araştırmaları aynı zamanda Leeds ekibinin kristal çekirdeklenme adımından önce gelen rejimlerin boyutunu (ilk kristal embriyolarının kontrolsüz kristal büyümesine geçişinden önce) karakterize etmesine ve dinamik olarak takip etmesine olanak sağladı.
Povey, "Örneğin, balmumunun çözeltiden çıkmasıyla başlayacağız ve bu süreci saniyede yaklaşık 5-6 kare hızla takip edeceğiz" diye açıklıyor. İlk anda gördükleri şey, sonikasyonun etkisiyle sıvıda uzun menzilli bir düzenin ortaya çıkmasıdır. Daha sonra giderek doymuş bir çözeltide, bu uzun menzilli düzen, kristal embriyoların oluşumundan önceki çekirdeklenmenin ilk aşamasını barındıran "ölü bölge" adı verilen bölgede bir faz ayrımına geçer. "Her aşamada" diye ekliyor, "düşük güçlü ultrason moleküler sıralamayı değiştirebilir ve bu etkilerin I22'de gerçek zamanlı bir film gibi ortaya çıktığını görüyoruz."
İnsonifikasyon tekniğimizin enjeksiyon kalıplamadaki kuralları yeniden yazabileceğini düşünüyoruz; israfı azaltıyor, maliyeti düşürüyor ve sürdürülebilirlik adına çok yönlülüğü artırıyor
Megan Povey
I22 SAXS/WAXS deneylerini tamamlayan Povey ve yüksek lisans öğrencisi Fei Sheng, aşırı doymuş çözeltilerdeki (yani maksimumdan daha fazlasını içeren) kristal embriyoların davranışını niceliksel olarak izlemek için darbe-eko ultrason tekniklerini (5 μs düzeyinde darbe genişliği) de kullandılar. Belirli bir sıcaklıkta çözünebilen çözünen madde miktarı). Akusto-optik hücredeki sulu bir bakır sülfat numunesini araştırmak için ultrason kullanarak, kristal embriyolarla ilişkili katı malzemenin ortaya çıkışını ve daha sonra ortadan kaybolmasını ölçebildiler.
Çok çeşitli endüstriyel süreçleri dönüştürme potansiyeline sahip olan şey, akustik kontrolün yokluğunda kristalleşmenin bir kumarhane gibi davrandığı ölü bölgede ortaya çıkan kristal çekirdeklerini izleme ve kontrol etme yeteneğidir. Endüstri ortaklarıyla halihazırda tartışılmakta olan yakın vadeli ticari fırsatlardan biri, geleneksel olarak enerji açısından pahalı ve bazen tesadüfi bir süreç olan enjeksiyon kalıplama yoluyla plastik parçaların oluşturulmasıdır. Povey, "İnsonifikasyon tekniğimizin enjeksiyonlu kalıplamadaki kuralları yeniden yazabileceğini düşünüyoruz; israfı azaltıyor, maliyeti azaltıyor ve sürdürülebilirlik adına çok yönlülüğü artırıyor" diyor.
Laboratuvardan fabrikaya
Bu arada, uygulamalı Ar-Ge çalışmaları teknoloji çevirisinin diğer yönlerini ele alıyor; özellikle Povey'nin sonifikasyon ve kristal çekirdeklenmesine yönelik teorik çerçevesinin enerji tüketen parçacık dinamiği (DPD) hesaplamalı modellemesi (çeşitli karmaşık hidrodinamik olaylarla ilgili olan mezoskopik bir simülasyon tekniği) ile entegrasyonu. . Buradaki motivasyon, düşük güçlü ultrason alanlarının çok çeşitli çekirdeklenme sistemleri üzerindeki etkisini modelleyebilen ve buna bağlı olarak kristal oluşumunu güvenilir ve tekrarlanabilir bir şekilde kontrol edebilen öngörücü bir yöntem geliştirmektir.
DPD cephesindeki faaliyet şu kişiler tarafından yönetilmektedir: Lewtas Bilim ve Teknolojilerile işbirliği içinde çalışan, gelişmiş malzemeler konusunda uzmanlaşmış bir Birleşik Krallık danışmanlık şirketidir. Hartree Ulusal Dijital Yenilik Merkezi, gelişmiş bilgi işlem ve yazılım alanında teknoloji transferini ve ticarileştirmeyi destekleyen bir Birleşik Krallık kuruluşudur.
Ne yersen osun
Önemli bir şekilde, aynı adı taşıyan danışmanlığın başında bulunan polimer bilimcisi Povey ve Ken Lewtas da bir başvuruda bulundu. uluslararası patent Çikolatanın temperlenmesi (yağ moleküllerinin arzu edilen özelliklere sahip çikolata halinde kristalleşmesi için çikolatanın yavaş yavaş ısıtılması ve ardından soğutulması işlemi) dahil (ancak bunlarla sınırlı olmamak üzere) çeşitli endüstriyel bağlamlarda insonifikasyonun kullanımına ilişkin fikri mülkiyetin korunması parlaklık, çıtırlık ve ağızda soğuma); termoplastik polimerlerin kristalizasyonu (mekanik, optik veya bariyer özelliklerini kontrol etmek için); ve hatta dizel yakıtların ve ısıtma yağlarının cilalanması (düşük sıcaklıklarda yakıt akışını etkileyebilir).
Povey şu sonuca varıyor: "Umudumuz, endüstri ortaklarının eninde sonunda, farklı üretim süreçlerinde kristalleşmeyi teşvik etmek veya bastırmak için insonifikasyon tekniğimizi ve düşük güçlü ultrasonumuzu rutin olarak uygulayabilecek bir konumda olmalarıdır."
Senkrotron biliminde başarının sırları
Nick Terrill Diamond'ın I22 çok amaçlı SAXS/WAXS tesisinin baş ışın hattı bilimcisidir. İşte anlatıyor Fizik dünyası Beş bilim adamından oluşan ekibinin sonokristalizasyon konusunda Leeds Üniversitesi'nin gıda fiziği programını nasıl desteklediğini.
Bunun gibi çok yıllı bir araştırma çabasına ne kadar planlama harcanıyor?
Megan ve meslektaşlarımızla etkileşimimiz, onların işe başlamasından çok önce başlıyor. bünyesinde I22'de ışın süresi. Bu nedenle, gereksinimlerin toplanması, hepimizin aynı dili konuştuğumuzdan ve ışın hattındaki deneysel kurulumun ihtiyaç duydukları verileri sağlayacak şekilde optimize edildiğinden emin olmak için birkaç aylık bir süre boyunca sanal ve yerinde toplantıları içerir. buna ihtiyaçları var. Kısayollar yok, sadece kapsamlı bir hazırlık var: Bilimsel kullanıcıların üç veya dört günlük deneyler için burada I22'deyken iyi kalitede sonuçlar almasını sağlamak çok fazla planlama ve yineleme gerektirir.
Muhtemelen sistem entegrasyonuna çok fazla odaklanılıyor?
Doğru. Bu durumda, SAXS/WAXS veri toplamadan taviz vermeyecek şekilde ultrason enstrümantasyonlarını ve akustik optik örnek hücrelerini ışın hattına nasıl entegre edeceklerini bulmak için Megan ve ekibiyle birlikte çalışarak çok zaman harcadık. I22'nin özel Örnek Ortam Geliştirme Laboratuvarı (SEDL) bu açıdan çok önemlidir; temel olarak ana ışın hattının X ışınları olmadan çevrimdışı karbon kopyasıdır. SEDL sayesinde, dışarıdan bilim insanları kendi uzman kitlerini (bu durumda ultrason ve akustik-optik alt sistemler) yanlarında getirebilir ve donanım/yazılım entegrasyonunun canlı çalıştırmadan önce olabildiğince iyi olmasını sağlamak için I22 ekibiyle yakın işbirliği içinde çalışabilirler. deneyler.
Ekibiniz ile I22 son kullanıcıları arasındaki başarılı işbirliğinin sırrı nedir?
Bizim işimiz, harici kullanıcıların bilimsel hedeflerini ışın hattında güvenilir bir şekilde çalışacak gerçekçi deneylere dönüştürmektir. Bunu ancak açık diyalog ve iki yönlü işbirliğiyle başarabilirsiniz. Megan'ın ekibiyle birlikte ultrason teşhisi, ultrason uyarımı ve XRD veri toplama gibi çeşitli yöntemlerin birlikte sorunsuz bir şekilde çalıştığından emin olmak için üçgenleme yapmak zorunda kaldık. En iyi işbirlikleri her zaman bir kazan-kazan ilişkisidir; bu sayede yol boyunca pek çok ders de alırız. Bu öğrenme, ekip olarak sürekli gelişmemizin ve tüm I22 son kullanıcılarımıza sunduğumuz sürekli bilimsel desteğin anahtarıdır.
Ek okuma
MJ Povey ve ark. 2023 Kristal çekirdeklerin 'seslendirilmesi' - Matematiksel-fiziksel ve deneysel bir araştırma J. Chem. Fizik 158 174501
- SEO Destekli İçerik ve Halkla İlişkiler Dağıtımı. Bugün Gücünüzü Artırın.
- PlatoData.Network Dikey Üretken Yapay Zeka. Kendine güç ver. Buradan Erişin.
- PlatoAiStream. Web3 Zekası. Bilgi Genişletildi. Buradan Erişin.
- PlatoESG. karbon, temiz teknoloji, Enerji, Çevre, Güneş, Atık Yönetimi. Buradan Erişin.
- PlatoSağlık. Biyoteknoloji ve Klinik Araştırmalar Zekası. Buradan Erişin.
- Kaynak: https://physicsworld.com/a/sound-and-vision-synchrotron-insights-illuminate-crystal-nucleation-and-growth/
