Las boquillas ultrasónicas son un tipo de boquilla rociadora que utiliza vibraciones de alta frecuencia producidas por transductores piezoeléctricos que actúan sobre la punta de la boquilla y crean ondas capilares en una película líquida. 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 y pequeñas gotas caen de la punta de cada onda, lo que provoca la atomización . [1]
Los principales factores que influyen en el tamaño inicial de la gota producida son la frecuencia de vibración, la tensión superficial y la viscosidad del líquido. Las frecuencias suelen estar en el rango de 20 a 180 kHz, más allá del rango del oído humano, 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 su 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 extracción de sangre, la pulverización de fundente sobre placas de circuito impreso, el recubrimiento de stents liberadores de fármacos implantables y globos/catéteres, recubrimientos para la fabricación de vidrio flotado , [3] recubrimientos antimicrobianos sobre alimentos, [4] recubrimientos semiconductores de precisión y Recubrimientos de energías alternativas para la fabricación de células solares y pilas de combustible, entre otros.
Productos farmacéuticos como sirolimus (también llamado rapamicina) y paclitaxel están recubiertos en la superficie de los stents liberadores de fármacos (DES) y los globos recubiertos de fármacos (DCB). Estos dispositivos se benefician enormemente de las boquillas pulverizadoras ultrasónicas por su capacidad para aplicar recubrimientos con poca o ninguna pérdida. Los dispositivos médicos como DES y 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 eficazmente para fabricar pilas de combustible con membranas 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 normalmente implican serigrafía o rasquetas. Sin embargo, estos métodos pueden dar como resultado un rendimiento indeseable de la celda debido a la tendencia del catalizador a formar aglomeraciones que resultan en un flujo de gas no uniforme en la celda e impiden que el catalizador quede completamente expuesto, corriendo el riesgo de que el solvente o el líquido portador pueda ser absorbidos en la membrana, lo que impidió la eficiencia del intercambio de protones. [6] Cuando se utilizan boquillas ultrasónicas, se puede hacer que la pulverización esté tan seca como sea necesario debido a la naturaleza del tamaño de gota pequeño y uniforme, variando la distancia que recorren las gotas y aplicando poco calor al sustrato de modo que las gotas secar al aire antes de llegar al sustrato. Los ingenieros de procesos tienen un control más preciso sobre este tipo de variables a diferencia de 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 dando como resultado una distribución homogénea del catalizador, lo que resulta en 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 baja resistencia laminar, sin embargo es un material escaso y propenso a agrietarse, lo que no lo convierte en un buen candidato para los nuevos TCF flexibles. Por otro lado, el grafeno se puede convertir en una película flexible, extremadamente conductora y de alta transparencia. Se ha informado que los nanocables de Ag (AgNW), cuando se combinan con grafeno, son una alternativa TCF superior y prometedora al ITO. [10] Estudios anteriores se centran en métodos de recubrimiento por rotación y barras que no son adecuados para TCF de áreas grandes. Un proceso de varios pasos que utiliza pulverización ultrasónica de óxido de grafeno y pulverización convencional de AgNW seguido de una reducción de vapor de hidracina , seguido de la aplicación de una capa superior de polimetilmetacrilato (PMMA), dio como resultado un 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 de TCO) [12] para pantallas de panel táctil 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 una micra hasta milímetros de tamaño, y funcionan individualmente o en conjuntos para detectar, controlar y activar procesos mecánicos a microescala. Los ejemplos incluyen sensores de presión, acelerómetros y micromotores. La fabricación de MEM implica depositar una capa uniforme de fotoprotector [15] sobre la oblea de Si. El fotorresistente se ha aplicado tradicionalmente a obleas en la fabricación de circuitos integrados mediante una técnica de recubrimiento por rotación. [16] En dispositivos MEM complejos que tienen áreas grabadas con altas relaciones de aspecto, puede ser difícil lograr una cobertura uniforme a lo largo de la parte superior, las paredes laterales y la parte inferior de ranuras y zanjas profundas utilizando técnicas de recubrimiento por rotación debido a la alta velocidad de rotación necesaria. para eliminar el exceso de líquido. Las técnicas de pulverización ultrasónica se utilizan para pulverizar recubrimientos uniformes de fotoprotector sobre dispositivos MEM de alta relación de aspecto y pueden minimizar el uso y el exceso de pulverización de fotoprotector. [17]
La naturaleza no obstructiva de las boquillas ultrasónicas, el tamaño de gota pequeño y uniforme creado por ellas y el hecho de que la columna de pulverización se puede moldear mediante dispositivos de conformación de aire estrictamente controlados hacen que la aplicación sea bastante exitosa en procesos de soldadura por ola . La viscosidad de casi todos los fundentes del mercado se ajusta bien a las capacidades de la tecnología. En soldadura , se prefiere el fundente "sin limpieza". 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 por tintes necesitan la aplicación de líquidos y recubrimientos durante el proceso de fabricación. Dado que la mayoría de estas sustancias son muy caras, cualquier pérdida debida al exceso de pulverización o al control de calidad se minimiza con el uso de boquillas ultrasónicas. En un esfuerzo por reducir los costos de fabricación de células solares , tradicionalmente realizado utilizando el método de cloruro de fosforilo por lotes o POCl 3 , se ha demostrado que el uso de boquillas ultrasónicas para colocar una película delgada de base acuosa sobre obleas de silicio se puede utilizar eficazmente como Proceso de difusión para crear capas tipo N con resistencia superficial uniforme. [19]
La pirólisis por pulverización ultrasónica es un método de deposición química de vapor (CVD) utilizado en la formación de una variedad de materiales en forma de película delgada o nanopartículas . Los materiales precursores a menudo se fabrican mediante métodos sol-gel y los ejemplos incluyen la formación de nitrato de plata acuoso, [20] la síntesis de partículas de circonio [21] y la fabricación de cátodos SOFC de pilas de combustible de óxido sólido . [22]
Un aerosol atomizado producido a partir de una boquilla ultrasónica se somete a un sustrato calentado que generalmente oscila entre 300 y 400 grados C. [23] Debido a las altas temperaturas de la cámara de pulverización, las extensiones de la boquilla ultrasónica (como se muestra y etiqueta: Ultrasónico de alta temperatura) Boquilla) [ cita necesaria ] como una punta extraíble (la punta está oculta debajo de la cubierta de aire del vórtice etiquetada # 2) [ cita necesaria ] han sido diseñadas para ser sometidas a altas temperaturas mientras protegen el cuerpo (etiquetado # 1) [ cita necesaria ] de la boquilla ultrasónica que contiene elementos piezoeléctricos sensibles a la temperatura , típicamente fuera de la cámara de pulverización o mediante otros medios de aislamiento. [24]
{{cite journal}}: |volume=tiene texto extra ( ayuda )Berger, Harvey L. Atomización ultrasónica de líquidos: teoría y aplicación. 2da ed. Hyde Park: Partrige Hill, 2006. 1-177.
Lefebvre, Arthur, Atomización y aerosoles, hemisferio, 1989, ISBN 0-89116-603-3