Las boquillas ultrasónicas son un tipo de boquillas de pulverización que utilizan vibraciones de alta frecuencia producidas por transductores piezoeléctricos que actúan sobre la punta de la boquilla y crean ondas capilares en una película de líquido. Una vez que la amplitud de las ondas capilares alcanza una altura crítica (debido al nivel de potencia suministrado por el generador), se vuelven demasiado altas para sostenerse por sí mismas y pequeñas gotas caen de la punta de cada onda, lo que da como resultado la atomización . [1]
Los factores principales que influyen en el tamaño inicial de las gotas producidas son la frecuencia de vibración, la tensión superficial y la viscosidad del líquido. Las frecuencias se encuentran comúnmente en el rango de 20 a 180 kHz, más allá del rango de audición humana, donde las frecuencias más altas producen el tamaño de gota más pequeño. [2]
En 1962, el Dr. Robert Lang continuó con este trabajo, demostrando esencialmente una correlación entre el tamaño de gota atomizada en relación con la longitud de onda del líquido de Rayleigh . [1] Las boquillas ultrasónicas fueron comercializadas por primera vez por el Dr. Harvey L. Berger . US A 3861852, "Quemador de combustible con atomizador ultrasónico mejorado", publicado el 21 de enero de 1975, asignado a Harvey Berger .
Los usos posteriores de la tecnología incluyen el recubrimiento de tubos de recolección de sangre, la pulverización de fundente sobre placas de circuitos impresos, el recubrimiento de stents implantables liberadores de fármacos y balones/catéteres, recubrimientos para la fabricación de vidrio flotado , [3] recubrimientos antimicrobianos sobre alimentos, [4] recubrimientos de semiconductores de precisión y recubrimientos de energía alternativa para la fabricación de células solares y de combustible, entre otros.
Los productos farmacéuticos como el sirolimus (también llamado rapamicina) y el paclitaxel se utilizan para recubrir la superficie de los stents liberadores de fármacos (DES) y los balones recubiertos de fármacos (DCB). Estos dispositivos se benefician enormemente de las boquillas de pulverización ultrasónicas por su capacidad de aplicar recubrimientos con poca o ninguna pérdida. Los dispositivos médicos como el DES y el DCB requieren patrones de pulverización muy estrechos, una pulverización atomizada de baja velocidad y aire a baja presión debido a su pequeño tamaño. [5]
Las investigaciones han demostrado que las boquillas ultrasónicas se pueden utilizar de manera eficaz para fabricar celdas de combustible con membrana de intercambio de protones . Las tintas que se utilizan normalmente son una suspensión de platino y carbono , donde el platino actúa como catalizador dentro de la celda. Los métodos tradicionales para aplicar el catalizador a la membrana de intercambio de protones suelen implicar serigrafía o rasquetas. Sin embargo, estos métodos pueden dar lugar a un rendimiento indeseable de la celda debido a la tendencia del catalizador a formar aglomeraciones que dan lugar a un flujo de gas no uniforme en la celda e impiden que el catalizador quede completamente expuesto, con el riesgo de que el disolvente o el líquido portador puedan ser absorbidos por la membrana, lo que impide la eficiencia del intercambio de protones. [6] Cuando se utilizan boquillas ultrasónicas, la pulverización se puede hacer tan seca como sea necesario por la naturaleza del tamaño pequeño y uniforme de las gotas, variando la distancia que recorren las gotas y aplicando poco calor al sustrato de modo que las gotas se sequen en el aire antes de llegar al sustrato. Los ingenieros de procesos tienen un control más preciso sobre este tipo de variables en comparación con otras tecnologías. Además, debido a que la boquilla ultrasónica imparte energía a la suspensión justo antes y durante la atomización, los posibles aglomerados en la suspensión se rompen, lo que da como resultado una distribución homogénea del catalizador, lo que genera una mayor eficiencia del catalizador y, a su vez, de la celda de combustible. [7] [8]
La tecnología de boquillas de pulverización ultrasónica se ha utilizado para crear películas de óxido de indio y estaño (ITO) en la formación de películas conductoras transparentes (TCF). [9] El ITO tiene una excelente transparencia y una baja resistencia laminar, sin embargo, es un material escaso y propenso a agrietarse, lo que no lo convierte en un buen candidato para las nuevas TCF flexibles. El grafeno, por otro lado, se puede convertir en una película flexible, extremadamente conductora y con una alta transparencia. Se ha informado que los nanocables de Ag (AgNW) cuando se combinan con grafeno son una alternativa prometedora y superior de TCF al ITO. [10] Estudios anteriores se centran en métodos de recubrimiento por centrifugación y barra que no son adecuados para TCF de gran superficie. Un proceso de varios pasos que utiliza una pulverización ultrasónica de óxido de grafeno y una pulverización convencional de AgNW seguida de una reducción con vapor de hidracina , seguida de la aplicación de una capa superior de polimetilmetacrilato (PMMA) dio como resultado una TCF pelable que se puede escalar a un tamaño grande. [11]
Las películas delgadas de CNT se utilizan como materiales alternativos para crear películas conductoras transparentes (capas TCO) [12] para pantallas táctiles u otros sustratos de vidrio, así como capas activas de células solares orgánicas. [13]
Los sistemas microelectromecánicos (MEM) [14] son pequeños dispositivos microfabricados que combinan componentes eléctricos y mecánicos. Los dispositivos varían en tamaño desde menos de un micrón hasta milímetros, y funcionan de forma individual o en conjuntos para detectar, controlar y activar procesos mecánicos a escala microscópica. Algunos ejemplos son los sensores de presión, los acelerómetros y los micromotores. La fabricación de MEM implica depositar una capa uniforme de fotorresistencia [15] sobre la oblea de silicio. La fotorresistencia se ha aplicado tradicionalmente a las obleas en la fabricación de circuitos integrados mediante una técnica de recubrimiento por centrifugación. [16] En los dispositivos MEM complejos que tienen áreas grabadas con relaciones de aspecto elevadas, puede resultar difícil lograr una cobertura uniforme a lo largo de la parte superior, las paredes laterales y los fondos de las ranuras y zanjas profundas mediante técnicas de recubrimiento por centrifugación debido a la alta velocidad de centrifugación necesaria para eliminar el exceso de líquido. Las técnicas de pulverización ultrasónica se utilizan para pulverizar recubrimientos uniformes de fotorresistencia sobre dispositivos MEM con relaciones de aspecto elevadas y pueden minimizar el uso y la pulverización excesiva de fotorresistencia. [17]
La naturaleza antiobstrucción de las boquillas ultrasónicas, el tamaño pequeño y uniforme de las gotas que crean y el hecho de que la columna de pulverización se puede moldear mediante dispositivos de moldeo por aire controlados con precisión hacen que la aplicación sea bastante exitosa en los procesos de soldadura por ola . La viscosidad de casi todos los fundentes del mercado se ajusta bien a las capacidades de la tecnología. En la soldadura , el fundente "sin limpieza" es altamente preferido. Pero si se aplican cantidades excesivas, el proceso dará como resultado residuos corrosivos en la parte inferior del conjunto del circuito. [18]
Tanto la tecnología solar fotovoltaica como la sensibilizada con colorante requieren la aplicación de líquidos y revestimientos durante el proceso de fabricación. Dado que la mayoría de estas sustancias son muy caras, las pérdidas debidas a la pulverización excesiva o al control de calidad se minimizan con el uso de boquillas ultrasónicas. En un esfuerzo por reducir los costes de fabricación de las células solares , que tradicionalmente se hacían mediante el método de cloruro de fosforilo o POCl3 basado en lotes , se ha demostrado que el uso de boquillas ultrasónicas para colocar una película fina de base acuosa sobre obleas de silicio se puede utilizar de forma eficaz como un proceso de difusión para crear capas de tipo N con resistencia superficial uniforme. [19]
La pirólisis por pulverización ultrasónica es un método de deposición química en fase de vapor (CVD) que se utiliza para formar una variedad de materiales en forma de película delgada o nanopartículas . Los materiales precursores se fabrican a menudo mediante métodos sol-gel y algunos ejemplos incluyen la formación de nitrato de plata acuoso, [20] la síntesis de partículas de circonio [21] y la fabricación de cátodos de SOFC para celdas de combustible de óxido sólido . [22]
Un aerosol atomizado producido a partir de una boquilla ultrasónica se somete a un sustrato calentado que generalmente varía de 300 a 400 grados C. [23] Debido a las altas temperaturas de la cámara de pulverización, se han diseñado extensiones de la boquilla ultrasónica (como se muestra y etiqueta: Boquilla ultrasónica de alta temperatura) [ cita requerida ], como una punta removible (la punta está oculta debajo de la cubierta de aire del vórtice etiquetada como # 2) [ cita requerida ] para que se someta a altas temperaturas mientras se protege el cuerpo (etiquetado como # 1) [ cita requerida ] de la boquilla ultrasónica que contiene elementos piezoeléctricos sensibles a la temperatura , generalmente fuera de la cámara de pulverización o por otros medios de aislamiento. [24]
{{cite journal}}: |volume=tiene texto extra ( ayuda )Berger, Harvey L. Atomización ultrasónica de líquidos: teoría y aplicación. 2.ª ed. Hyde Park: Partrige Hill, 2006. 1-177.
Lefebvre, Arthur, Atomización y pulverizaciones, Hemisphere, 1989, ISBN 0-89116-603-3