La modificación de la superficie de las micronanopartículas a escala atómica y casi atómica es de gran importancia para sus aplicaciones en una variedad de campos, como el almacenamiento de energía, la catálisis, los sensores y la biomedicina. Para cumplir con los requisitos de la industria en estas áreas, es urgente desarrollar la fabricación de alto volumen de recubrimientos atómicamente precisos en materiales particulados. Como método avanzado de fabricación extrema, la deposición de capa atómica (ALD) es un método de deposición de película delgada que ofrece películas sin perforaciones con un control de espesor preciso a nivel de angstrom y una homogeneidad excepcional en estructuras complejas. El ALD de lecho fluidizado (FB-ALD) ha mostrado un gran potencial en películas atómicamente ultrafinas sobre grandes cantidades de partículas.

En un nuevo artículo publicado en el International Journal of Extreme Manufacturing , un equipo de investigadores, dirigido por el Prof. Rong Chen del State Key Laboratory of Digital Manufacturing Equipment and Technology, School of Mechanical Science and Engineering, Huazhong University of Science and Technology, China, ha investigado exhaustivamente el efecto de la vibración ultrasónica en el hidrodinámica y el comportamiento de aglomeración de partículas en un reactor FB-ALD mediante simulación CFD-DEM. Las caídas y expansiones de presión del lecho, la energía cinética turbulenta del fluido, la distribución de las velocidades de las partículas y la fracción de volumen sólido, así como los tamaños de los aglomerados, se presentan para caracterizar la calidad de la fluidización. Se investigan diferentes amplitudes y frecuencias de vibraciones ultrasónicas para encontrar las condiciones óptimas para mejorar la calidad de fluidización y la eficiencia de recubrimiento del proceso FB-ALD.

Para investigar el efecto de la vibración ultrasónica en los comportamientos generales de fluidización, se aplica una vibración ultrasónica típica con una frecuencia de 20 kHz y una amplitud de 20 µm al FB después de que la fluidización alcanza un estado estable. Con la inducción de la vibración ultrasónica, la velocidad de las partículas cercanas a la pared vibratoria aumenta inmediatamente. El número de partículas con altas velocidades también aumenta, lo que lleva a más colisiones partícula-partícula. Además, la altura del lecho aumenta gradualmente a medida que aumenta el tiempo, lo que implica que la vibración ultrasónica puede promover efectivamente la dispersión de partículas. Además, la canalización también se reduce por el campo ultrasónico. Estas mejoras en los comportamientos de fluidización son beneficiosas para el proceso de recubrimiento de partículas, ya que las moléculas precursoras pueden difundirse más rápido y de manera más uniforme en los aglomerados, lo que aumenta la eficiencia general del recubrimiento.

El movimiento turbulento de fluidos es la razón principal por la que las partículas logran un movimiento aleatorio, y la energía cinética de turbulencia es el factor clave para evaluar la energía de rotura de los aglomerados de partículas. Sin la vibración ultrasónica, la energía cinética de turbulencia es bastante pequeña y permanece sin cambios. Sin embargo, una vez que se aplica la vibración ultrasónica, la energía cinética de turbulencia máxima aumenta bruscamente. Se muestra que la energía cinética de turbulencia máxima aumenta con el aumento de la frecuencia o la amplitud.

También se llevan a cabo caracterizaciones del número de coordinación y la distribución del tamaño de los aglomerados para todos los casos para investigar cuantitativamente los comportamientos de aglomeración y rotura de partículas. Cuando la frecuencia ultrasónica se establece en 20 kHz, el efecto de desaglomeración del campo ultrasónico aumenta con la amplitud ultrasónica. Cuando la frecuencia ultrasónica aumenta de 10 kHz a 20 kHz, la probabilidad de aglomerados formados por dos partículas primarias aumenta rápidamente, mientras que los aglomerados formados por tres a diez partículas primarias disminuyen. Esto indica que la vibración ultrasónica con una frecuencia de 20 kHz puede romper aún más los pequeños aglomerados en el aglomerado más pequeño o incluso en partículas individuales.

Para verificar los resultados de la simulación, se realizaron experimentos de recubrimiento comparativos con un reactor FB-ALD asistido por vibración ultrasónica en partículas NCM811, que pueden ofrecer una alta densidad de energía en baterías de iones de litio (LIB) para automóviles. Las imágenes SEM de las nanopartículas recubiertas también muestran que las partículas en el FB-ALD asistido por vibración ultrasónica se han dispersado de manera efectiva, lo que da lugar a capas más conformadas y una mayor eficiencia de recubrimiento. Los datos experimentales concuerdan bien con los resultados de la simulación, que ha verificado la eficacia del modelo dinámico CFD-DEM multiescala.

La profesora Chen Rong y otros investigadores de su grupo respondieron preguntas sobre varios puntos clave al realizar la tecnología FB-ALD asistida por vibración ultrasónica:

¿Es el modelo CFD-DEM actual de FB con un tamaño de unos pocos milímetros lo suficientemente preciso como para predecir el comportamiento de las partículas en un reactor FB-ALD asistido por vibración ultrasónica ampliado?

"Aunque el modelo CFD-DEM multiescala actual cubre escalas solo desde los aglomerados simples hasta el FB con un tamaño de unos pocos milímetros, ha revelado con éxito los comportamientos de aglomeración y rotura de partículas con asistencia ultrasónica. Con el desarrollo de la teoría multiescala y computacional ciencia, se cree que este modelo se desarrollará aún más para una mejor investigación desde la escala de laboratorio hasta la escala de fabricación".

¿Cómo influye la vibración ultrasónica en la rotura del aglomerado? ¿Siempre es mejor usar frecuencias ultrasónicas más altas?

"Existe un valor crítico de la frecuencia ultrasónica. Cuando el valor ultrasónico es menor que el valor crítico, la velocidad promedio de las partículas y el tamaño del aglomerado aumentan con el aumento de la frecuencia ultrasónica. Sin embargo, cuando la frecuencia ultrasónica excede este valor crítico (por ejemplo, 40 kHz) las partículas comienzan a aglomerarse cerca de la pared vibrante".

¿Qué aspectos debemos tener en cuenta a la hora de optimizar los parámetros del proceso o diseñar el reactor FB-ALD de vibración ultrasónica para el recubrimiento de grandes cantidades de nanopartículas?

"Las selecciones de las frecuencias o amplitudes ultrasónicas dependen de muchos factores, como la presión del reactor, las fuerzas cohesivas equivalentes entre partículas, así como la distribución del tamaño de las partículas en todo el FB. Para el diseño óptimo del reactor, el conocimiento de los campos adyacentes como la hidromecánica y la ingeniería mecánica se requiere más."

Los investigadores han sugerido que varios tipos de materiales particulados se beneficiarán mucho de la tecnología FB-ALD asistida por vibración ultrasónica. La asistencia de la vibración ultrasónica puede acelerar efectivamente la velocidad del fluido y las partículas cerca de la pared vibratoria. La calidad de fluidización mejorada de las nanopartículas también está destinada a facilitar la transferencia de calor y la difusión de precursores en todo el reactor FB-ALD y los aglomerados, lo que puede mejorar en gran medida la eficiencia del recubrimiento. + Explora más

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