دیسپرس نانو مواد برای استفاده از آنها یک ضرورت است. نانو مواد به‌عنوان یک جزء حیاتی از محصولات مختلفی مانند مواد با عملکرد بالا، ضدآفتاب‌ها، پوشش‌های عملکردی، یا ترکیبات پلاستیکی شناخته می‌شوند. کاویتاسیون اولتراسونیک برای دیسپرس ذرات نانو مقیاس مایعاتی همچون آب، روغن، حلال‌ها یا رزین‌ها استفاده می‌شود.
دیسپرس نانوذرات با استفاده از اولتراسونیک هموژنایزر
دیسپرس نانوذرات، اثرات متفاوتی دارد. آشکارترین تاثیر، پراکندگی مواد در مایعات با هدف شکستن توده‌های ذرات است. یک کاربرد دیگر، استفاده از التراسونیک در هنگام سنتز یا رسوبدهی ذرات است. به طور کلی، التراسونیک موجب کاهش اندازه ذرات و افزایش یکنواختی ابعادی ذرات مواد می‌شود. کاویتاسیون التراسونیک انتقال مواد در سطح ذرات را نیز بهبود می‌بخشد. این اثر می‌تواند برای بهبود عملکرد سطح مواد با مساحت سطحی ویژه بالا، استفاده گردد.
دیسپرس و کاهش اندازه نانومواد
زمانی که نانومواد از جمله اکسیدهای فلزی، نانوکِلِی‌ها یا نانوتیوب‌های کربنی در یک مایع مخلوط می شوند، تمایل زیادی به کلوخه (آگلومره) شدن دارند. ابزارهای مؤثری برای کاهش اندازه و دیسپرس نانو مواد نیاز داریم تا پس از خیس شدن پودر، بر نیروهای پیوندی غلبه کند. خردایش التراسونیک کلوخه‌ها در سوسپانسیون‌های آبی و غیر‌آبی امکان استفاده از ظرفیت کامل مواد نانوسایز را فراهم می‌کند. بررسی‌هایی در مورد روش‌های مختلف دیسپرس نانو مواد کلوخه‌های نانوذرات با درصد جامد متفاوت نشان داده است که التراسونیک نسبت به فناوری‌های دیگری مانند میکسرهای رتوراستاتور (مانند ultra turrax و ... )، هموژنایزرهای پیستونی، یا روش‌های آسیاب مرطوب، مانند بیدمیل و کلوییدمیل) مزیت های غیر قابل انکاری دارد. التراسونیک هموژنایزرهای آواپرداز می‌توانند با درصدهای جامد بسیار بالا عملیاتی شوند. به‌عنوان مثال برای سیلیکا مشاهده شد که نرخ خرد شدن جامد تا 50 درصد وزنی، از غلظت جامد مستقل بود. التراسونیک هموژنایزر می‌تواند برای پراکندگی مستربچ‌های با غلظت بالا (پردازش مایعات با ویسکوزیته پایین و بالا) مورد استفاده قرار گیرد. بنابراین التراسونیک هموژنایزر به عنوان راه‌حل پردازش مناسب برای رنگ‌ها و پوشش‌ها بر اساس بسترهای مختلف مانند آب، رزین یا روغن باشد.
کاویتاسیون التراسونیک
دیسپرس و کلوخه زدایی از طریق التراسونیک در اثر کاویتاسیون التراسونیک است. زمانی که مایعات را در معرض تابش امواج التراسونیک بگذارید، موج‌های صوتی که در مایع منتشر می‌شوند، باعث تناوب چرخه‌های فشار بالا و پایین می‌شوند که باعث اعمال تنش مکانیکی بر نیروهای جاذب بین ذرات می گردد. کاویتاسیون التراسونیک در مایعات باعث تشکیل جت‌های سریع مایع با سرعت تا 1000 کیلومتر در ساعت می‌شود. این جت‌ها مایع را با فشار بالا بین ذرات فشار داده و آنها را از یکدیگر جدا می‌کنند. ذرات کوچک با جت‌های مایع شتاب می‌گیرند و با سرعت بالا با دیگر ذرات برخورد می‌کنند. این باعث می‌شود که التراسونیک هموژنایزر وسیله‌ای موثر برای دیسپرس و همچنین برای آسیاب ذرات به اندازه میکرونی و زیر میکرونی باشد.
سنتز / ته‌نشینی ذرات به کمک اولتراسونیک هموژنایزر
نانوذرات می‌توانند از پایین به بالا توسط سنتز یا ته‌نشینی تولید شوند. سونوشیمی یکی از اولین تکنیک‌هایی است که برای آماده‌سازی ترکیبات نانوسایز استفاده شده است. Suslick در کار اصلی خود، Fe(CO)5 را یا به عنوان مایع خالص یا در یک محلول decalin التراسونیک شده و نانوذرات آهنی آمورف با اندازه 10-20 نانومتر به دست آورد. به طور کلی، مخلوط فوق اشباع شروع به تشکیل ذرات جامد از یک ماده بسیار غلیظ می‌کند. التراسونیک مخلوط کردن پیش‌ماده‌ها و افزایش انتقال جرم در سطح ذره را بهبود می‌دهدکه منجر به کاهش اندازه ذرات و یکنواختی بیشتر می‌شود.
فعالسازی سطحی با التراسونیک هموژنایز
بسیاری از نانومواد، مانند اکسیدهای فلزی، جوهر پرینتر و پیگمنت‌های تونر، یا پرکننده‌ها برای پوشش‌های عملکردی، نیاز به فعالسازی سطحی دارند. برای فعالسازی سطحی تمام سطح هر ذره، یک روش دیپسرس خوب لازم است. هنگامی که ذرات دیسپرس کی شوند، معمولاً توسط یک لایه مرزی از مولکول‌ها که به سطح ذره جذب می‌شوند، احاطه می‌شوند. به منظور رسیدن گروه‌های جدید عملکردی به سطح ذره، این لایه مرزی باید شکسته یا حذف شود. جت‌های مایع حاصل از کاویتاسیون التراسونیک می‌توانند سرعت‌های تا 1000 کیلومتر در ساعت را ایجاد کنند. این استرس به غلبه بر نیروهای جاذبه بین ذارت کمک می‌کند و مولکول‌های عملکردی را به سطح ذره منتقل می‌کند. در سونوشیمی، این اثر برای بهبود عملکرد کاتالیزورهای دیسپرس شده استفاده می‌شود.
نانومواد
نانومواد، موادی با ابعاد کمتر از 100 نانومتر هستند. آنها به سرعت در فرمولاسیون‌های رنگ، جوهرها و پوشش‌ها رشد کرده‌اند. نانومواد به سه دسته اصلی وارد می‌شوند: اکسیدهای فلزی، نانوکلی‌ها و نانوتیوب‌های کربنی. نانوذرات اکسید فلزی شامل اکسید روی، اکسید تیتانیوم، اکسید آهن، اکسید سریم و اکسید زیرکونیم نانومقیاس است، همچنین شامل ترکیبات فلزی-فولادی مختلط مانند اکسید قلع-ایندیم, و زیرکونیم و تیتانیم می‌شود. در رنگ و پوشش‌ها نانومواد در کاربردهای تزیینی (مانند رنگ و لعاب)، اهداف کارکردی (مانند هادی بودن، غیرفعال‌سازی میکروبی) و بهبود حفاظت (مانند مقاومت در برابر خش و پایداری UV) مورد استفاده قرار می گیرند. به ویژه اکسیدهای فلزی نانوسایز، مانند TiO2 و ZnO یا آلومینا، سیریا و سیلیکا و پیگمنت‌های نانومتری در فرمولاسیون‌های پوشش‌ها و پوشش‌های جدید به کار می‌روند.
وقتی ابعاد مواد کوچک می‌شود، خصوصیاتشان مانند رنگ و تعامل با مواد دیگر مانند واکنش شیمیایی تغییر می‌کند،. تغییر در خصوصیت‌ها به دلیل تغییر ویژگی‌های الکترونی رخ می‌دهد. با کاهش اندازه ذرات، سطح مواد افزایش می‌یابد. از این رو، درصد بالاتری از اتم‌ها می‌توانند با مواد دیگر تعامل کنند، مثلاً با ماتریس رزین‌ها.
فعالیت سطحی یک جنبه کلیدی نانومواد است. انباشتگی و کلوخه‌شدن از مساحت سطحی برای تماس یا دیگر مواد جلوگیری می‌کند. تنها نانوذرات دیسپرش‌شده می توانند خواص بالقوۀ خود را بروز دهند. در نتیجه، دیسپرس نانو مواد، مقدار نانو مواد مورد نیاز برای رسیدن به همان اثرات را کاهش می‌دهد. اکثر نانومواد هنوز هم از قیمت قابل توجهی برخوردار هستند، بنابراین دیسپرس نانو مواد جنبه بسیار مهمی برای تجاری‌سازی فرمولاسیون‌های محصول حاوی نانومواد است. امروزه، بسیاری از نانومواد به روش خشک تولید می‌شوند. بنابراین، ذرات باید در فرمولاسیون‌های مایع مخلوط شوند. اینجاست که بیشترین نانوذرات در حین خیس شدن (wetting) کلوخه می‌شوند. به ویژه نانولوله‌های کربنی بسیار چسبناک هستند که باعث مشکل در پخش آنها در مایعات مانند آب، اتانول، روغن، پلیمر یا رزین اپوکسی می‌شود. دستگاه‌های پردازش سنتی، مانند میکسرهای های شیر یا روتور-استاتور، هوموژنایزرهای فشار بالا یا کولوئید و دیسک میل‌ها در جدا کردن نانوذرات به ذرات جداگانه ناکام می‌مانند. به ویژه برای مواد کوچک از چند نانومتر تا چند میکرون، تشکیل کاویتاسیون التراسونیک در شکستن کلوخه‌ها، تجمع‌ها و حتی ذرات اولیه بسیار موثر است. زمانی که فراصوت برای آسیاب نانوذرات در ترکیبات غلظت بالا استفاده می‌شود، جریان‌های جت مایع ناشی از کاویتاسیون التراسونیک، باعث برخورد ذرات با یکدیگر با سرعت تا 1000 کیلومتر در ساعت می‌شوند. این باعث شکستن نیروهای ون در والسی در کلوخه‌ها و حتی ذرات اولیه می‌شود.
