Ултразвуково наноструктуриране за производство на порести метали

Сонохимия е много ефективен инструмент за инженеринг и функционализация на нано материали. В металургията ултразвуковото облъчване насърчава образуването на порести метали. Изследователската група на д-р Дария Андреева разработи ефективна и рентабилна ултразвукова процедура за получаване на мезопористи метали.

Порестите метали привличат голям интерес от многобройните технологични отрасли поради изключителните си характеристики като устойчивост на корозия, механична якост и способност да издържат на изключително високи температури. Тези свойства се основават на наноструктурираните повърхности с пори с диаметър само няколко нанометра. Мезопористите материали се характеризират с размери на позите между 2 и 50 nm, докато микропорестият материал има размер на порите по-малък от 2 nm. Международен изследователски екип, включващ д-р Дария Андреева от Университета в Байройт (Катедра по физикохимия II), успешно разработи тежка и рентабилна ултразвукова процедура за проектиране и производство на такива метални конструкции.

В този процес металите се обработват във воден разтвор по такъв начин, че да се развият кухини от няколко нанометра в точно определени пролуки. За тези специално изработени конструкции вече има 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, в които много фина матрична структура е изпълнена с частици с размери до 20 нанометра.

Новата техника използва процес на ултразвуково генерирано образуване на мехурчета, който във физиката се нарича кавитация (произлиза от лат. “Кавус” = “кух”). В мореплаването този процес се страхува поради големите щети, които може да причини на витлата и турбините на корабите. Защото при много високи скорости на въртене под вода се образуват мехурчета пара. След кратък период под изключително високо налягане мехурчетата се свиват навътре, като по този начин деформират металните повърхности. Процесът на Кавитация може да се генерира и с помощта на ултразвук. Ултразвукът се състои от компресионни вълни с честоти над звуковия диапазон (20 kHz) и генерира вакуумни мехурчета във вода и водни разтвори. Температури от няколко хиляди градуса по Целзий и изключително високо налягане до 1000 бара възникват, когато тези мехурчета имплодират.

Схемата по-горе показва ефектите на акустичната кавитация върху модификацията на металните частици. Металите с ниска точка на топене (MP) като цинк (Zn) се окисляват напълно; метали с висока точка на топене като никел (Ni) и титан (Ti) показват повърхностна модификация при ултразвук. Алуминият (Al) и магнезият (Mg) образуват мезопорести структури. Нобелските метали са устойчиви на ултразвуково облъчване поради тяхната стабилност срещу окисляване. Точките 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 – като се имат предвид определени физични и химични характеристики на металите. Защото металите реагират много различно, когато са изложени на такова ултразвук, както показа д-р Дария Андреева заедно с колегите си в Голм, Берлин и Минск. В метали с висока реактивност като цинк, алуминий и магнезий постепенно се образува матрична структура, стабилизирана от оксидно покритие. Това води до порести метали, които могат например да бъдат допълнително обработени в композитни материали. Благородните метали като злато, платина, сребро и паладий обаче се държат по различен начин. Поради ниската си склонност към окисление, те издържат на ултразвуковото лечение и запазват първоначалните си структури и свойства.

Снимката 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, под електромикроскопично изображение на повърхността, върху която – поради ултразвука – се е образувало полиелектролитно покритие. Това покритие предлага защита срещу корозия за 21 дни. Вдясно: Същата алуминиева сплав, без да е била изложена на ултразвук. Повърхността е напълно корозирала.

Фактът, че различните метали реагират по драстично различни начини на ултразвук, може да бъде използван за иновации в материалознанието. Сплавите могат да бъдат превърнати по такъв начин в нанокомпозити, в които частици от по-стабилния материал са обвити в пореста матрица от по-малко стабилния метал. По този начин много големи повърхности възникват в много ограничено пространство, което позволява тези нанокомпозити да се използват като катализатори. Те действат особено бързи и ефективни химични реакции.

Заедно с д-р Дария Андреева, изследователите проф. д-р Андреас Фери, д-р Никола Пазос-Перес и Яна Шеферханс, също от катедра "Физикохимия II", допринесоха за резултатите от изследването. Заедно с колегите си от Института по колоиди и интерфейси "Макс Планк" в Голм, Хелмхолц-Център в Берлин за материали и енергия GmbH и Беларуския държавен университет в Минск, те публикуваха най-новите си резултати онлайн в списанието “Наномащаб”.