En ny version av sonokristallisering visar industriellt lovande tack vare experimentella undersökningar vid Diamond Light Source, Storbritanniens nationella synkrotronforskningsanläggning. Joe McEntee rapporter
Nyfikenhetsdriven forskning som använder ultraljudsfält med låg effekt för att undersöka den grundläggande fysiken för kristallkärnbildning - bildandet av kristallkärnor och "embryon" i vätske- eller lösningsfasen före makroskopisk kristalltillväxt - öppnar en väg till nya, industriellt betydelsefulla metoder av processtyrning för kristallisation.
Även om det fortfarande är relativt tidigt, forskare från University of Leeds, Storbritannien, är övertygade om att deras experimentella och teoretiska insikter i slutändan kommer att omvandlas till innovation i nedströms processutrustning. Slutspelet: kommersiella möjligheter i stor skala att realisera mindre energiintensiva sätt för materialproduktion – såväl som förbättrad kvalitetskontroll – över så olika branscher som livsmedelstillverkning, läkemedel, jordbrukskemikalier, polymerextrudering och personliga hygienprodukter.
Specialistprogrammet för så kallad ”insonifiering” leds av Megan Povey, professor i livsmedelsfysik vid Leeds, som har byggt upp ett internationellt rykte i tillämpningen av ultraljudsspektroskopi för livsmedelskarakterisering och ultraljudsbearbetning inom livsmedelstillverkning. Mer allmänt, hennes teams prioriteringar spänner över dator och matematisk modellering av livsmedel; kommersiellt utplacerbara sensorer och instrumentering för säkrare livsmedel; och nya processteknologier för hållbar produktion. Allt detta byggde på en gedigen grundläggande förståelse för materialegenskaper, struktur och beteende.
Packa upp grunderna för mat
Poveys senaste vetenskapliga strävan är sann mot dessa kärnforskningsteman. Å ena sidan utvecklar hennes team granulära matematisk-fysikaliska modeller – baserade på korrigering av värme- och masstransport – för att förstå hur lågeffekts ultraljud påverkar beteendet hos ett brett spektrum av kärnbildande system. "Allt jag gör inom matfysik behöver jag ett teoretiskt underlag - en modell - innan jag går vidare till de experimentella aspekterna", förklarar Povey. ”Empirister behöver trots allt mer än empiri. De behöver fysiska modeller som de kan iterera och optimera med verkliga experimentella data."
Längs en parallell koordinat driver Povey och kollegor en experimentell undersökningslinje som förlitar sig på ultraljud med låg effekt för att kontrollera kristallkärnbildning – i själva verket insonifiering av en lösning eller vätska utan att inducera kavitation (dvs bildning av små ångfyllda bubblor eller tomrum som kan kollapsa och generera stötvågor i det flytande mediet). I detta sammanhang definieras låg effekt av ett mekaniskt index (MI) på 0.08 eller mindre, ett mått på den maximala amplituden för ultraljudstryckpulsen (och tillräckligt låg för att minimera sannolikheten för kavitation).
"Genom att kontrollera ultraljudsfrekvensen, kraften och varaktigheten i enlighet med det kristalliserande materialets natur, har vi visat att det är möjligt att främja eller undertrycka kristallbildning", konstaterar Povey. "På samma sätt är nivån av kontroll vi ser mycket mer granulär och sträcker sig till hastigheterna för kärnbildning och kristallisering såväl som antalet, storlekarna, geometrierna [vanorna] och morfologin hos kristallerna i framväxande nätverk."
Fördelarna för industrin, tror hon, kan vara spelförändrande. "Tänk snabbare kärnbildning och enhetlig kärnbildning genom hela den sonikerade volymen samt generering av mindre, renare och mer enhetliga kristaller." Ett exempel på detta är produktionen av farmaceutiska "aktiva ämnen", där kontroll av polymorf (en enda kemisk art som kan existera i olika kristallstrukturer som kan förändra deras kemiska och fysikaliska egenskaper) ofta är avgörande. "Det fruktansvärda exemplet på talidomidaffären belyser farorna som är inneboende i produktionen av fel polymorf," tillägger hon.
Diamant lyser upp kristallkärnbildning
Om det är bakgrundshistorien, hur är det med den experimentella detaljen? Front-and-center i detta avseende är de stora vetenskapskapaciteterna Diamantljuskälla, Storbritanniens nationella synkrotronforskningsanläggning (belägen vid Harwell Science and Innovation CampusOxfordshire). Diamond är globalt betydelsefull och tillhör en elitkadre av storskaliga röntgenkällor som kastar ljus över materiens struktur och beteende på atomär och molekylär nivå inom alla möjliga grundläggande och tillämpade discipliner – från ren energiteknik till läkemedel. och hälsovård; från livsmedelsvetenskap till strukturbiologi och kulturarv.
Under det senaste decenniet har Povey och hennes team varit regelbundna besökare på Diamond's I22 strållinje som sedan driftsättningen 2007 har varit värd för ett särskilt program för forskning om mjuka material och polymerer samt aktiviteter inom biologiska material och miljövetenskap. Vid I22, till exempel, kan Leeds-teamet genomföra röntgendiffraktionsstudier (XRD) på ett multifunktionsinstrument som kombinerar småvinklar och vidvinklar röntgenspridning (SAXS/WAXS) modaliteter. Strållinjen omfattar också en mångsidig provplattform att stödja i operando experiment – efter strukturell utveckling i lösningar och smältor, till exempel över tidsskalor från millisekunder till minuter.
När det gäller kärnspecifikationer levererar I22-insättningsenheten röntgenstrålar till provet med energier mellan 7 och 22 keV (och en strålstorlek på 240 × 60 mikron för huvudstrållinjen). "Den samtidiga inspelningen av både SAXS- och WAXS-data i tandem innebär att vi kan sondera alla längdskalor med hög upplösning - från några ångström upp till mesoskalan vid flera hundra nanometer [och miljarder molekyler]", förklarar Povey. "Genom att använda en specialdesignad akusto-optisk cell på I22-strållinjen har vi samlat experimentella bevis för tvåstegs kristallkärnbildning såväl som effekten av icke-kavitationellt ultraljud på varje steg i kärnbildningsprocessen."
Ett exempel är en serie XRD-studier spåra kristallisationen av ett vax (eikosan) från ett organiskt lösningsmedel i närvaro och frånvaro av ett insonifierande ultraljudsfält. Målet: att undersöka effekterna av insonifiering både på långdistansordningen av eikosanmolekyler (via SAXS) och på molekylär packning i nanoskala (med hjälp av WAXS). På så sätt har Povey och kollegor kunnat identifiera mesoskaliga effekter på grund av insonifiering som saknas i den vilande vätskan. SAXS/WAXS-undersökningarna gjorde det också möjligt för Leeds-teamet att karakterisera – och dynamiskt följa – storleken på de regimer som föregår kristallkärnbildningssteget (före initiala kristallembryon som övergår till okontrollerad kristalltillväxt).
"Vi börjar till exempel med att vaxet kommer ut ur lösningen och följer den processen med cirka 5-6 bilder per sekund", förklarar Povey. Vad de ser i första hand är uppkomsten av långväga ordning i vätskan under påverkan av sonikering. Sedan, i en allt mer mättad lösning, övergår denna långväga ordning till en fasseparation i den så kallade "döda zonen", som är värd för det första steget av kärnbildning innan bildandet av kristallembryon. "I alla stadier," tillägger hon, "kan ultraljudet med låg effekt förändra den molekylära ordningen och vi ser dessa effekter utvecklas som en film i realtid på I22."
Vi tror att vår insonifieringsteknik skulle kunna skriva om reglerna för formsprutning – minska avfallet, minska kostnaderna och öka mångsidigheten till förmån för hållbarhet
Megan Povey
Som ett komplement till I22 SAXS/WAXS-experimenten har Povey och doktoranden Fei Sheng också använt puls-eko ultraljudstekniker (pulsbredd i storleksordningen 5 μs) för att kvantitativt övervaka beteendet hos kristallembryon i övermättade lösningar (dvs. som innehåller mer än det maximala mängd löst ämne som kan lösas vid en given temperatur). Genom att använda ultraljud för att undersöka ett vattenhaltigt kopparsulfatprov i den akusto-optiska cellen kunde de mäta uppkomsten och efterföljande försvinnande av fast material associerat med kristallembryon.
Det är denna förmåga att övervaka och kontrollera framväxande kristallkärnor i den döda zonen – där kristallisering beter sig som ett kasino i avsaknad av akustisk kontroll – som har potentialen att förändra ett brett spektrum av industriella processer. En kommersiell möjlighet på kort sikt som redan diskuteras med industripartners är bildandet av plastdelar genom formsprutning – traditionellt en energiskt dyr och ibland hit-and-miss-process. "Vi tror att vår insonifieringsteknik skulle kunna skriva om reglerna för formsprutning - minska avfallet, minska kostnaderna och öka mångsidigheten till förmån för hållbarhet", hävdar Povey.
Ut ur labbet, in i fabriken
Samtidigt tar den tillämpade FoU-insatsen upp andra aspekter av teknologiöversättning – särskilt integreringen av Poveys teoretiska ramverk för insonifiering och kristallkärnbildning med dissipativ partikeldynamik (DPD) beräkningsmodellering (en mesoskopisk simuleringsteknik som är relevant för en mängd komplexa hydrodynamiska fenomen) . Motivationen här är att utveckla en prediktiv metod som kan modellera effekten av ultraljudsfält med låg effekt på ett brett spektrum av kärnbildande system – och i förlängningen kontrollera kristallbildningen på ett tillförlitligt och repeterbart sätt.
Aktiviteten på DPD-fronten leds av Lewtas Science and Technologies, ett brittiskt konsultföretag specialiserat på avancerade material, som arbetar i samarbete med Hartree National Center for Digital Innovation, en brittisk outfit som stöder tekniköverföring och kommersialisering inom avancerad datoranvändning och mjukvara.
Du är vad du äter
Det är viktigt att Povey och Ken Lewtas, en polymerforskare som leder det självbetitlade konsultföretaget, också har lämnat in en internationellt patent att skydda den intellektuella egendomen kring användningen av insonifiering i en rad industriella sammanhang, inklusive (men inte begränsat till) temperering av choklad (processen att långsamt värma och sedan kyla choklad så att fettmolekylerna kristalliseras till choklad med de önskvärda egenskaperna av glans, knäppning och kylning i munnen); kristallisation av termoplastiska polymerer (för att kontrollera mekaniska, optiska eller barriäregenskaper); och även vaxning av dieselbränslen och eldningsoljor (vilket kan påverka bränsleflödet vid låga temperaturer).
"Vår förhoppning," avslutar Povey, "är att branschpartners, förr snarare än senare, kommer att vara i en position att rutinmässigt tillämpa vår insonifieringsteknik och ultraljud med låg effekt för att främja eller undertrycka kristallisering i olika produktionsprocesser."
Hemligheterna bakom framgång inom synkrotronvetenskap
Nick Terrill är den främsta strållinjeforskaren för Diamonds I22 multipurpose SAXS/WAXS-anläggning. Här berättar han Fysikvärlden hur hans team av fem anställda forskare stödjer University of Leeds matfysikprogram i sonokristallisering.
Hur mycket planering lägger man ner på en flerårig forskningssatsning som denna?
Vår interaktion med Megan och kollegor börjar i god tid innan deras in situ stråletid vid I22. Som sådan involverar kravinsamlingen virtuella möten och möten på plats under en period av flera månader för att säkerställa att vi alla pratar samma språk och att den experimentella uppsättningen på strållinjen är optimerad för att leverera den data de behöver, när de behöver det. Det finns inga genvägar, bara uttömmande förberedelser: det krävs mycket planering och iteration för att säkerställa att de vetenskapliga användarna får resultat av god kvalitet medan de är här på I22 för de tre eller fyra dagarna av experiment.
Förmodligen är det mycket fokus på systemintegration?
Korrekt. I det här fallet tillbringade vi mycket tid med att arbeta med Megan och teamet för att ta reda på hur de skulle integrera deras ultraljudsinstrumentering och akusto-optiska provcell i strållinjen så att de inte äventyrade SAXS/WAXS-datainsamlingen. I22:s dedikerade Sample Environment Development Laboratory (SEDL) är avgörande i detta avseende – i princip en offlinekopia av huvudstrållinjen utan röntgenstrålar. Tack vare SEDL kan externa forskare ta med sig sitt specialistkit – i det här fallet ultraljud och akusto-optiska subsystem – och arbeta nära med I22-teamet för att säkerställa att hårdvaru-/mjukvaruintegrationen är så bra som den kan vara innan den körs live experiment.
Vad är hemligheten med ett framgångsrikt samarbete mellan ditt team och I22-slutanvändarna?
Vårt jobb är att översätta externa användares vetenskapliga mål till realistiska experiment som kommer att köras tillförlitligt på strållinjen. Det kan du bara uppnå med öppen dialog och tvåvägssamarbete. Med Megans team var vi tvungna att triangulera för att se till att en rad olika modaliteter fungerar sömlöst tillsammans – ultraljudsdiagnostik, ultraljudsexcitation och XRD-datainsamling. De bästa samarbetena är alltid en win-win, i och med att vi också lär oss mycket på vägen. Detta lärande är nyckeln till vår ständiga förbättring som ett team och det fortlöpande vetenskapliga stödet vi erbjuder alla våra I22-slutanvändare.
Ytterligare läsning
MJ Povey et al. 2023 "Sounding" ut kristallkärnor – En matematisk-fysisk och experimentell undersökning J. Chem. Phys. 158 174501
- SEO-drivet innehåll och PR-distribution. Bli förstärkt idag.
- PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Styrka dig själv. Tillgång här.
- PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Kunskap förstärkt. Tillgång här.
- Platoesg. Kol, CleanTech, Energi, Miljö, Sol, Avfallshantering. Tillgång här.
- PlatoHealth. Biotech och kliniska prövningar Intelligence. Tillgång här.
- Källa: https://physicsworld.com/a/sound-and-vision-synchrotron-insights-illuminate-crystal-nucleation-and-growth/
