Məsaməli metalların istehsalı üçün ultrasəslə nanostrukturlaşdırma

Sonokimya nanomaterialların hazırlanması və funksionallaşdırılması üçün çox effektiv vasitədir. Metallurgiyada ultrasəs şüalanması məsaməli metalların əmələ gəlməsinə kömək edir. Dr. Daria Andreevanın tədqiqat qrupu mezoməsaməli metalların istehsalı üçün ultrasəsin köməyi ilə həyata keçirilən effektiv və iqtisadi cəhətdən sərfəli üsul hazırlayıb.

Məsaməli metallar korroziyaya davamlılıq, mexaniki möhkəmlik və son dərəcə yüksək temperaturlara tab gətirmək qabiliyyəti kimi üstün xüsusiyyətlərinə görə müxtəlif texnoloji sahələrdə böyük maraq doğurur. Bu xüsusiyyətlər diametri cəmi bir neçə nanometr olan məsamələrə malik nanostrukturlu səthlərə əsaslanır. Mezoməsaməli materiallar 2 ilə 50 nm arasında olan məsamə ölçüləri ilə xarakterizə olunur, mikroməsaməli materiallarda isə məsamə ölçüsü 2nm-dən kiçikdir. Bayreuth Universitetindən (Fiziki Kimya II kafedrası) Dr. Daria Andreevanın da daxil olduğu beynəlxalq tədqiqat qrupu belə metal strukturların layihələndirilməsi və istehsalı üçün yüksək iş yükünə uyğun və iqtisadi cəhətdən sərfəli ultrasəs üsulunu uğurla hazırlayıb.

Bu prosesdə metallar sulu məhlulda elə emal olunur ki, dəqiq müəyyən edilmiş aralıqlarda bir neçə nanometr ölçülü boşluqlar yaranır. Xüsusi tələblərə uyğun hazırlanmış bu strukturlar üçün artıq havanın təmizlənməsi, enerjinin saxlanması və tibbi texnologiyalar da daxil olmaqla geniş çeşiddə innovativ tətbiqlər mövcuddur. Məsaməli metalların nanokompozitlərdə istifadəsi xüsusilə perspektivlidir. Bunlar çox incə matris strukturunun ölçüsü 20 nanometrə qədər olan hissəciklərlə doldurulduğu yeni kompozit materiallar sinfidir.

Yeni texnika ultrasəslə yaradılan qabarcıqların əmələ gəlməsi prosesindən istifadə edir; bu proses fizikada kavitasiya adlanır (latın dilindəki “cavus” = “boş” sözündən götürülüb). Dənizçilikdə bu prosesin gəmi pərlərinə və turbinlərə vura biləcəyi böyük zərərə görə ondan ehtiyat edilir. Çünki çox yüksək fırlanma sürətlərində suyun altında buxar qabarcıqları əmələ gəlir. Son dərəcə yüksək təzyiq altında qısa müddətdən sonra qabarcıqlar içəriyə doğru çökür və bununla metal səthləri deformasiyaya uğradır. Ultrasəsdən istifadə etməklə kavitasiya prosesi də yaradıla bilər. Ultrasəs eşidilən diapazondan (20 kHz) yuxarı tezliklərə malik sıxılma dalğalarından ibarətdir və suda və sulu məhlullarda vakuum qabarcıqları yaradır. Bu qabarcıqlar içəriyə doğru çökdükdə bir neçə min dərəcə Selsi temperatur və 1000 bar-a qədər son dərəcə yüksək təzyiqlər yaranır.

Yuxarıdakı sxem akustik kavitasiyanın metal hissəciklərin modifikasiyasına təsirlərini göstərir. Sink (Zn) kimi aşağı ərimə temperaturuna (MP) malik metallar tamamilə oksidləşir; nikel (Ni) və titan (Ti) kimi yüksək ərimə temperaturuna malik metallarda ultrasəslə emal zamanı səth modifikasiyası baş verir. Alüminium (Al) və maqnezium (Mg) mezoməsaməli strukturlar əmələ gətirir. Nəcib metallar oksidləşməyə qarşı dayanıqlı olduqlarına görə ultrasəs şüalanmasına davamlıdır. Metalların ərimə temperaturları Kelvin dərəcəsi (K) ilə göstərilib.

Bu prosesə dəqiq nəzarət sulu məhlulda asılı vəziyyətdə olan metalların məqsədyönlü nanostrukturlaşdırılmasına gətirib çıxara bilər – metalların müəyyən fiziki və kimyəvi xüsusiyyətləri nəzərə alınmaqla. Çünki Dr. Daria Andreevanın Golm, Berlin və Minskdəki həmkarları ilə birlikdə göstərdiyi kimi, metallar belə ultrasəs emalına məruz qaldıqda çox fərqli reaksiyalar verir. Sink, alüminium və maqnezium kimi yüksək reaktivliyə malik metallarda tədricən oksid örtüyü ilə stabilləşdirilən matris strukturu əmələ gəlir. Nəticədə, məsələn, kompozit materiallarda əlavə emal oluna bilən məsaməli metallar alınır. Lakin qızıl, platin, gümüş və palladium kimi nəcib metallar fərqli davranır. Oksidləşməyə meyilləri az olduğuna görə onlar ultrasəs emalına davam gətirir və ilkin strukturlarını və xüsusiyyətlərini saxlayırlar.

Yuxarıdakı şəkil ultrasəsin alüminium ərintilərinin korroziyadan qorunması üçün də istifadə oluna biləcəyini göstərir. Solda: Güclü korroziya təsirinə malik məhluldakı alüminium ərintisinin fotosu, aşağıda isə ultrasəslə emal nəticəsində üzərində polielektrolit örtüyü əmələ gəlmiş səthin elektron mikroskop görüntüsü. Bu örtük 21 gün ərzində korroziyadan qorunma təmin edir. Sağda: Ultrasəslə emala məruz qalmamış eyni alüminium ərintisi. Səth tamamilə korroziyaya uğrayıb.

Müxtəlif metalların ultrasəslə emala kəskin şəkildə fərqli reaksiyalar verməsindən materialşünaslıqda innovasiyalar üçün istifadə etmək olar. Ərintilər elə nanokompozitlərə çevrilə bilər ki, daha dayanıqlı materialın hissəcikləri daha az dayanıqlı metalın məsaməli matrisində əhatə olunsun. Beləliklə, çox məhdud məkanda çox böyük səth sahələri yaranır və bu, həmin nanokompozitlərin katalizator kimi istifadəsinə imkan verir. Onlar xüsusilə sürətli və səmərəli kimyəvi reaksiyalara səbəb olur.

Dr. Daria Andreeva ilə birlikdə, həmçinin Fiziki Kimya II kafedrasından olan tədqiqatçılar Prof. Dr. Andreas Fery, Dr. Nicolas Pazos-Perez və Jana Schäferhans da tədqiqat nəticələrinin əldə edilməsinə töhfə veriblər. Onlar Golmdakı Max Planck Kolloidlər və Sərhəd Səthləri İnstitutunda, Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH şirkətində və Minskdəki Belarus Dövlət Universitetində çalışan həmkarları ilə birlikdə ən son nəticələrini “Nanoscale” jurnalında onlayn dərc ediblər.