هيكلة نانو بالموجات فوق الصوتية لإنتاج المعادن المسامية

سونوكيمياء هي أداة فعالة للغاية لهندسة وتشغيل المواد النانوية. في علم المعادن ، يعزز التشعيع بالموجات فوق الصوتية تكوين المعادن المسامية. طورت مجموعة البحث التابعة للدكتورة داريا أندريفا إجراء فعالا وفعالا من حيث التكلفة بمساعدة الموجات فوق الصوتية لإنتاج معادن مسامية.

تجذب المعادن المسامية اهتماما كبيرا من الفروع التكنولوجية المتعددة نظرا لخصائصها البارزة مثل مقاومتها للتآكل وقوتها الميكانيكية والقدرة على تحمل درجات الحرارة المرتفعة للغاية. تعتمد هذه الخصائص على الأسطح ذات البنية النانوية مع المسام التي يبلغ قطرها بضعة نانومتر فقط. تتميز المواد المسامية بأحجام وضع تتراوح بين 2 إلى 50 نانومتر ، في حين أن المواد الصغيرة التي يسهل اختراقها لها حجم مسام أقل من 2 نانومتر. نجح فريق بحث دولي يضم الدكتورة داريا أندريفا من جامعة بايرويت (قسم الكيمياء الفيزيائية الثاني) في تطوير إجراء الموجات فوق الصوتية للخدمة الشاقة والفعالة من حيث التكلفة لتصميم وإنتاج مثل هذه الهياكل المعدنية.

في هذه العملية ، تتم معالجة المعادن في محلول مائي بطريقة تتطور فيها تجاويف بضعة نانومترات ، في فجوات محددة بدقة. بالنسبة لهذه الهياكل المصممة خصيصا ، هناك بالفعل مجموعة واسعة من التطبيقات المبتكرة ، بما في ذلك تنظيف الهواء أو تخزين الطاقة أو التكنولوجيا الطبية. واعدة بشكل خاص هو استخدام المعادن المسامية في المركبات النانوية. هذه فئة جديدة من المواد المركبة ، حيث تمتلئ بنية مصفوفة دقيقة للغاية بجزيئات يتراوح حجمها إلى 20 نانومتر.

تستخدم التقنية الجديدة عملية تكوين الفقاعات المولدة بالموجات فوق الصوتية ، والتي تسمى التجويف في الفيزياء (مشتقة من lat. “كافوس” = “أجوف”). في الملاحة البحرية ، يخشى من هذه العملية بسبب الأضرار الكبيرة التي يمكن أن تسببها لمراوح السفن والتوربينات. عند سرعات الدوران العالية جدا ، تتشكل فقاعات البخار تحت الماء. بعد فترة قصيرة تحت ضغط مرتفع للغاية ، تنهار الفقاعات داخليا ، مما يؤدي إلى تشويه الأسطح المعدنية. عملية التجويف يمكن أيضا إنشاؤها باستخدام الموجات فوق الصوتية. تتكون الموجات فوق الصوتية من موجات ضاغطة بترددات أعلى من النطاق المسموع (20 كيلو هرتز) وتولد فقاعات فراغ في الماء والمحاليل المائية. تنشأ درجات حرارة تصل إلى عدة آلاف من الدرجات المئوية وضغوط عالية للغاية تصل إلى 1000 بار عندما تنفجر هذه الفقاعات.

يوضح المخطط أعلاه آثار التجويف الصوتي على تعديل الجزيئات المعدنية. تتأكسد المعادن ذات نقطة الانصهار المنخفضة (MP) مثل الزنك (Zn) تماما ؛ المعادن ذات نقطة انصهار عالية مثل النيكل (Ni) والتيتانيوم (Ti) تظهر تعديل السطح تحت صوتنة. الألومنيوم (Al) والمغنيسيوم (Mg) تشكل هياكل مسامية. معادن نوبل مقاومة للإشعاع بالموجات فوق الصوتية بسبب ثباتها ضد الأكسدة. يتم تحديد نقاط انصهار المعادن بالدرجات كلفن (K).

قد يؤدي التحكم الدقيق في هذه العملية إلى بنية نانوية مستهدفة للمعادن المعلقة في محلول مائي - بالنظر إلى بعض الخصائص الفيزيائية والكيميائية للمعادن. لأن المعادن تتفاعل بشكل مختلف تماما عند تعرضها لمثل هذه الصوتنة ، كما أظهرت الدكتورة داريا أندريفا مع زملائها في غولم وبرلين ومينسك. في المعادن ذات التفاعل العالي مثل الزنك والألمنيوم والمغنيسيوم ، يتم تشكيل بنية مصفوفة تدريجيا ، ويتم تثبيتها بواسطة طلاء أكسيد. ينتج عن هذا معادن مسامية يمكن معالجتها على سبيل المثال في المواد المركبة. المعادن النبيلة مثل الذهب والبلاتين والفضة والبلاديوم تتصرف بشكل مختلف. بسبب ميلها المنخفض للأكسدة ، فإنها تقاوم العلاج بالموجات فوق الصوتية وتحتفظ بهياكلها وخصائصها الأولية.

توضح الصورة أعلاه أنه يمكن أيضا استخدام الموجات فوق الصوتية لحماية سبائك الألومنيوم من التآكل. على اليسار: صورة سبيكة ألومنيوم في محلول شديد التآكل ، أسفل صورة مجهرية كهربائية للسطح ، والتي - بسبب صوتنة - تم تشكيل طلاء polyelectolyte. يوفر هذا الطلاء حماية ضد التآكل لمدة 21 يوما. على اليمين: نفس سبائك الألومنيوم دون التعرض للصوتنة. السطح متآكل تماما.

يمكن استغلال حقيقة أن المعادن المختلفة تتفاعل بطرق مختلفة بشكل كبير مع صوتنة للابتكارات في علوم المواد. يمكن تحويل السبائك بهذه الطريقة إلى مركبات نانوية يتم فيها تغليف جزيئات المادة الأكثر استقرارا في مصفوفة مسامية من المعدن الأقل استقرارا. وبالتالي تنشأ مساحات سطح كبيرة جدا في مساحة محدودة للغاية ، مما يسمح باستخدام هذه المركبات النانوية كمحفزات. أنها تؤثر بشكل خاص على تفاعلات كيميائية سريعة وفعالة.

جنبا إلى جنب مع الدكتورة داريا أندريفا ، ساهم الباحثون البروفيسور الدكتور أندرياس فيري والدكتور نيكولاس بازوس بيريز وجانا شافيرهانز ، أيضا من قسم الكيمياء الفيزيائية الثاني ، في نتائج البحث. مع زملائهم في معهد ماكس بلانك للغرويات والواجهات في غولم ، و Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH وجامعة بيلاروسيا الحكومية في مينسك ، نشروا أحدث نتائجهم على الإنترنت في المجلة “مقياس النانو”.