Ултразвуково наноструктуриране за получаване на порести метали

Сонохимията е много ефективен инструмент за създаване и функционализиране на наноматериали. В металургията ултразвуковото облъчване подпомага образуването на порести метали. Изследователската група на д-р Дария Андреева разработи ефективна и икономически изгодна процедура с помощта на ултразвук за получаване на мезопорести метали.

Порестите метали предизвикват голям интерес в множество технологични отрасли поради изключителните си характеристики, като устойчивост на корозия, механична якост и способност да издържат на изключително високи температури. Тези свойства се дължат на наноструктурираните повърхности с пори с диаметър само няколко нанометра. Мезопорестите материали се характеризират с размери на порите между 2 и 50 nm, докато микропорестите материали имат размер на порите под 2nm. Международен изследователски екип, включващ д-р Дария Андреева от Университета в Байройт (катедра „Физикохимия II“), успешно разработи високопроизводителна и икономически изгодна ултразвукова процедура за проектиране и получаване на такива метални структури.

При този процес металите се обработват във воден разтвор така, че в точно определени междини се образуват кухини с размер няколко нанометра. За тези специално създадени структури вече съществува широк спектър от иновативни приложения, включително пречистване на въздуха, съхранение на енергия или медицински технологии. Особено обещаващо е използването на порести метали в нанокомпозити. Това е нов клас композитни материали, при които много фина матрична структура се запълва с частици с размер до 20 нанометра.

Новата техника използва процес на образуване на мехурчета чрез ултразвук, който във физиката се нарича кавитация (от лат. „cavus“ = „кух“). В корабоплаването този процес буди опасения поради големите повреди, които може да причини на корабните витла и турбини. При много високи скорости на въртене под водата се образуват парни мехурчета. След кратък период при изключително високо налягане мехурчетата колабират навътре и така деформират металните повърхности. Процесът на кавитация може да бъде предизвикан и чрез ултразвук. Ултразвукът се състои от вълни на сгъстяване с честоти над диапазона на чуваемост (20 kHz) и образува вакуумни мехурчета във вода и водни разтвори. При имплозията на тези мехурчета възникват температури от няколко хиляди градуса по Целзий и изключително високи налягания до 1000 bar.

Схемата по-горе показва въздействието на акустичната кавитация върху модифицирането на метални частици. Металите с ниска температура на топене (MP), като цинк (Zn), се окисляват напълно; металите с висока температура на топене, като никел (Ni) и титан (Ti), показват модификация на повърхността при ултразвукова обработка. Алуминият (Al) и магнезият (Mg) образуват мезопорести структури. Благородните метали са устойчиви на ултразвуково облъчване поради устойчивостта си на окисление. Температурите на топене на металите са посочени в градуси Келвин (K).

Прецизният контрол на този процес може да доведе до целенасочено наноструктуриране на метали, суспендирани във воден разтвор – при определени физични и химични характеристики на металите. Металите реагират много различно при такава ултразвукова обработка, както показват д-р Дария Андреева и нейните колеги в Голм, Берлин и Минск. При метали с висока реактивност, като цинк, алуминий и магнезий, постепенно се образува матрична структура, стабилизирана от оксидно покритие. В резултат се получават порести метали, които например могат да бъдат допълнително преработени в композитни материали. Благородните метали, като злато, платина, сребро и паладий, обаче се държат различно. Поради слабата си склонност към окисление те са устойчиви на ултразвуковата обработка и запазват първоначалните си структури и свойства.

Изображението по-горе показва, че ултразвукът може да се използва и за защита на алуминиеви сплави от корозия. Вляво: Снимка на алуминиева сплав в силно корозивен разтвор, а под нея – електронномикроскопско изображение на повърхността, върху която вследствие на ултразвуковата обработка се е образувало полиелектролитно покритие. Това покритие осигурява защита от корозия за 21 дни. Вдясно: Същата алуминиева сплав, без да е била подложена на ултразвукова обработка. Повърхността е напълно корозирала.

Фактът, че различните метали реагират по коренно различен начин на ултразвуковата обработка, може да се използва за иновации в материалознанието. По този начин сплавите могат да се преобразуват в нанокомпозити, в които частици от по-стабилния материал са обвити в пореста матрица от по-малко стабилния метал. Така в много ограничено пространство се получават много големи повърхностни площи, които позволяват тези нанокомпозити да се използват като катализатори. Те предизвикват особено бързи и ефективни химични реакции.

Заедно с д-р Дария Андреева за резултатите от изследването допринесоха и изследователите проф. д-р Андреас Фери, д-р Николас Пасос-Перес и Яна Шеферханс, също от катедра „Физикохимия II“. Заедно със своите колеги от Института „Макс Планк“ за колоиди и интерфейси в Голм, Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH и Беларуския държавен университет в Минск те публикуваха последните си резултати онлайн в списание „Nanoscale“.