Sonochemistry е много ефективен инструмент за инженеринг и кционализиране на нано материали. В металургията, ултразвуковата облъчване насърчава образуването на порести метали. изследователската група на д-р Дария Андреева Разработената ефективен и рентабилен ултразвук с помощта на процедура за получаване среднопорести метали.

Пореста метали привличат голям интерес от многобройни технологични отрасли поради техните изключителни характеристики, като например тяхната корозионна устойчивост, механична якост и способността да издържат на изключително високи температури. Тези свойства се основават на наноструктурирани повърхности с пори с размери само няколко нанометра в диаметър. Мезопорести материали се характеризират с размери поза между 2 до 50 пМ, докато микропорест материал има размер на порите по-малко от 2 пМ. Международен екип от изследователи, включително д-р Дария Андреева на Байройт университет (Катедра по физикохимия II) успешно се развива тежък режим и рентабилен процедура ултразвук за проектирането и производството на такива метални конструкции.

В този процес, метали се третират във воден разтвор, по такъв начин, че кухините на няколко нанометра развиват, в точно определени пропуски. За тези, съобразени с конкретните структури, вече има широк спектър от иновативни приложения, включително почистване на въздуха, за съхранение на енергия или медицински технологии. Особено обещаващи е използването на порести метали в нанокомпозити. Това са нов клас от композитни материали, в които много фина структура матрица се запълва с частици с размер до 20 нанометра.

Новата техника използва процес на ултразвуково генерирани образуването на мехурчета, което се нарича кавитация в физика (получен от лат. “Cavus” = “кух”). В мореплаването, този процес е заплаха поради голямото щетите, които той може да доведе до корабни двигатели и турбини. За при много високи скорости на въртене, парни мехурчета се образуват под вода. След кратък период при изключително високо налягане мехурчета колапс навътре, така деформиране на метални повърхности. Процесът на кавитация могат също да бъдат генерирани с помощта на ултразвук. Ултразвукът се състои от compressional вълни с честоти над звуковия обхват (20 кХц) и генерира вакуум мехурчета във вода и водни разтвори. Температурите на няколко хиляди градуса по Целзий и изключително високи налягания до 1000 бара възникват, когато тези мехурчета се свие.

Схемата по-горе показва ефектите от акустичната кавитация върху модификацията на метални частици. Метали с ниска точка на топене (MP) като цинк (Zn) са напълно окислени; метали с висока точка на топене като никел (Ni) и титан (Ti) проявяват модификация на повърхността при ултразвук. Алуминиевият (Al) и магнезийният (Mg) образуват мезопорални структури. Нобеловите метали са устойчиви на ултразвуково облъчване поради тяхната стабилност срещу окисляване. Точките на топене на металите са посочени в градуси Келвин (К).

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, когато са изложени на такава ултразвукова обработка, както показа д-р Дария Андреева заедно с колегите й в Голм, Берлин и Минск. В метали с висока реактивност, като цинк, алуминий и магнезий, постепенно се образува матрична структура, стабилизирана чрез окислително покритие. Това води до порести метали, които например могат да бъдат допълнително обработени в композитни материали. Благородни метали, като злато, платина, сребро и паладий, се държат по различен начин. Поради слабата си оксидационна тенденция, те се съпротивляват на ултразвуковото лечение и запазват своите първоначални структури и свойства.

Картината по-горе показва, че ултразвук може да се използва за защита на алуминиеви сплави срещу корозия. От ляво: Снимката на алуминиева сплав в силно корозивен разтвор, по-долу на electomicroscopic изображение на повърхността, на която - поради ултразвук - е оформен покритие polyelectolyte. Това покритие предлага защита от корозия за 21 дни. В дясно: същата алуминиева сплав, без да са били изложени на ултразвук. Повърхността е напълно кородирала.

Фактът, че различни метали реагират в драматично различни начини за обработка с ултразвук може да се използва за иновации в областта на материалознанието. Сплави могат да се превърнат по такъв начин да нанокомпозити, в която частиците на по-стабилен материал са обвити в пореста матрица на по-малко стабилен метал. по този начин много големи площи повърхностни възникнат в много ограничено пространство, което позволява тези нанокомпозити да бъдат използвани като катализатори. Те ефект особено бързи и ефективни химични реакции.

Заедно с д-р Дария Андреева, изследователите д-р Андреас Fery, д-р Никола Pazos-Перес и Яна Schäferhans, също на отдела по физикохимия II, допринесли за резултатите от научните изследвания. Със своите колеги от Института Макс Планк на колоиди и интерфейси в Golm, Хелмхолц-Zentrum für Берлин Materialien унд Energie GmbH и Белоруския държавен университет, в Минск, те са публикувани най-новите си резултати онлайн в списание “Наномащаба”,