تشكيل البنية النانوية بالموجات فوق الصوتية لإنتاج معادن مسامية

الكيمياء بالموجات فوق الصوتية أداة فعالة للغاية لهندسة المواد النانوية وإكسابها وظائف محددة. في علم المعادن، يعزز التشعيع بالموجات فوق الصوتية تكوّن المعادن المسامية. وقد طوّرت المجموعة البحثية للدكتورة Daria Andreeva إجراءً فعالًا وموفرًا للتكاليف بمساعدة الموجات فوق الصوتية لإنتاج معادن متوسطة المسام.

تحظى المعادن المسامية باهتمام كبير في فروع تقنية متعددة بفضل خصائصها المتميزة، مثل مقاومتها للتآكل ومتانتها الميكانيكية وقدرتها على تحمل درجات حرارة شديدة الارتفاع. وتستند هذه الخصائص إلى أسطح ذات بنية نانوية تحتوي على مسام لا يتجاوز قطرها بضعة نانومترات. تتميز المواد متوسطة المسام بأحجام مسام تتراوح بين 2 و50 nm، بينما يقل حجم المسام في المواد دقيقة المسام عن 2nm. وقد نجح فريق بحثي دولي يضم الدكتورة Daria Andreeva من جامعة بايرويت (قسم الكيمياء الفيزيائية II) في تطوير إجراء بالموجات فوق الصوتية عالي التحمل وموفر للتكاليف لتصميم هذه البنى المعدنية وإنتاجها.

في هذه العملية، تُعالج المعادن في محلول مائي بطريقة تؤدي إلى نشوء تجاويف بحجم بضعة نانومترات ضمن فجوات محددة بدقة. وتوجد بالفعل مجموعة واسعة من التطبيقات المبتكرة لهذه البنى المصممة حسب الطلب، بما فيها تنقية الهواء وتخزين الطاقة والتقنيات الطبية. ويُعد استخدام المعادن المسامية في المركّبات النانوية واعدًا على نحو خاص. وهذه فئة جديدة من المواد المركّبة تُملأ فيها بنية مصفوفة دقيقة للغاية بجسيمات تصل أحجامها إلى 20 نانومترًا.

تستخدم التقنية الجديدة عملية تكوّن فقاعات مولّدة بالموجات فوق الصوتية، تُسمى في الفيزياء التجويف (مشتقة من الكلمة اللاتينية “cavus” = “أجوف”). وفي الملاحة البحرية، تُعد هذه العملية مصدر قلق بسبب الأضرار الكبيرة التي قد تُلحقها بمراوح السفن والتوربينات. فعند سرعات الدوران المرتفعة للغاية، تتكوّن فقاعات بخار تحت الماء. وبعد فترة قصيرة تحت ضغط شديد الارتفاع، تنهار الفقاعات نحو الداخل، مما يؤدي إلى تشوه الأسطح المعدنية. ويمكن أيضًا توليد عملية التجويف باستخدام الموجات فوق الصوتية. تتكون الموجات فوق الصوتية من موجات انضغاطية بترددات أعلى من النطاق المسموع (20 kHz)، وتولّد فقاعات فراغ في الماء والمحاليل المائية. وعندما تنهار هذه الفقاعات نحو الداخل، تنشأ درجات حرارة تبلغ عدة آلاف من الدرجات المئوية وضغوط شديدة الارتفاع تصل إلى 1000 bar.

يوضح المخطط أعلاه تأثيرات التجويف الصوتي في تعديل الجسيمات المعدنية. تتأكسد المعادن ذات درجة الانصهار المنخفضة (MP)، مثل الزنك (Zn)، تأكسدًا كاملًا؛ بينما تُظهر المعادن ذات درجة الانصهار المرتفعة، مثل النيكل (Ni) والتيتانيوم (Ti)، تعديلًا سطحيًا أثناء المعالجة بالموجات فوق الصوتية. ويكوّن الألومنيوم (Al) والمغنيسيوم (Mg) بنى متوسطة المسام. وتقاوم المعادن النبيلة التشعيع بالموجات فوق الصوتية بسبب ثباتها تجاه الأكسدة. وتُحدَّد درجات انصهار المعادن بدرجات كلفن (K).

قد يتيح التحكم الدقيق في هذه العملية تشكيل بنية نانوية موجّهة للمعادن المعلقة في محلول مائي – في ظل خصائص فيزيائية وكيميائية معينة للمعادن. إذ تتفاعل المعادن بطرق مختلفة جدًا عند تعرضها لهذه المعالجة بالموجات فوق الصوتية، كما أظهرت الدكتورة Daria Andreeva مع زملائها في غولم وبرلين ومينسك. وفي المعادن شديدة التفاعلية، مثل الزنك والألومنيوم والمغنيسيوم، تتكوّن بنية مصفوفة تدريجيًا ويثبّتها طلاء أكسيدي. وينتج عن ذلك معادن مسامية يمكن، على سبيل المثال، إخضاعها لمزيد من المعالجة لإدماجها في مواد مركّبة. أما المعادن النبيلة، مثل الذهب والبلاتين والفضة والبلاديوم، فتتصرف بطريقة مختلفة. ونظرًا إلى انخفاض ميلها إلى الأكسدة، فإنها تقاوم المعالجة بالموجات فوق الصوتية وتحتفظ ببناها وخصائصها الأصلية.

تُظهر الصورة أعلاه أنه يمكن أيضًا استخدام الموجات فوق الصوتية لحماية سبائك الألومنيوم من التآكل. على اليسار: صورة لسبيكة ألومنيوم في محلول شديد التآكل، وتحتها صورة بالمجهر الإلكتروني للسطح الذي تشكّل عليه – نتيجة المعالجة بالموجات فوق الصوتية – طلاء من متعدد الإلكتروليت. يوفر هذا الطلاء حماية من التآكل لمدة 21 يومًا. على اليمين: سبيكة الألومنيوم نفسها دون تعرضها للمعالجة بالموجات فوق الصوتية. السطح متآكل بالكامل.

يمكن الاستفادة من حقيقة أن المعادن المختلفة تتفاعل بطرق شديدة الاختلاف مع المعالجة بالموجات فوق الصوتية لتحقيق ابتكارات في علم المواد. ويمكن بهذه الطريقة تحويل السبائك إلى مركّبات نانوية تُحاط فيها جسيمات المادة الأكثر ثباتًا بمصفوفة مسامية من المعدن الأقل ثباتًا. وهكذا تنشأ مساحات سطحية كبيرة جدًا ضمن حيز محدود للغاية، مما يتيح استخدام هذه المركّبات النانوية بوصفها محفزات. وهي تُحدث تفاعلات كيميائية سريعة وفعالة على نحو خاص.

إلى جانب الدكتورة Daria Andreeva، أسهم الباحثون الأستاذ الدكتور Andreas Fery والدكتور Nicolas Pazos-Perez وJana Schäferhans، وهم أيضًا من قسم الكيمياء الفيزيائية II، في النتائج البحثية. وقد نشروا أحدث نتائجهم عبر الإنترنت في مجلة “Nanoscale”، بالتعاون مع زملائهم في معهد ماكس بلانك للغرويات والسطوح البينية في غولم، وHelmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH، وجامعة بيلاروسيا الحكومية في مينسك.