Ultrazvučno nanostrukturiranje za proizvodnju poroznih metala

Sonohemija je vrlo efikasan alat za inženjering i funkcionalizaciju nanomaterijala. U metalurgiji ultrazvučno zračenje potiče stvaranje poroznih metala. Istraživačka grupa dr. Darije Andreeve razvila je efikasan i ekonomičan postupak uz pomoć ultrazvuka za proizvodnju mezoporoznih metala.

Porozni metali privlače veliko zanimanje brojnih tehnoloških grana zbog svojih izvanrednih svojstava, kao što su otpornost na koroziju, mehanička čvrstoća i sposobnost podnošenja izuzetno visokih temperatura. Ta svojstva proizlaze iz nanostrukturiranih površina s porama čiji je promjer samo nekoliko nanometara. Mezoporozne materijale karakteriziraju veličine pora između 2 i 50 nm, dok mikroporozni materijali imaju veličinu pora manju od 2nm. Međunarodni istraživački tim, u kojem je i dr. Daria Andreeva sa Univerziteta u Bayreuthu (Odjel za fizikalnu hemiju II), uspješno je razvio robustan i ekonomičan ultrazvučni postupak za dizajn i proizvodnju takvih metalnih struktura.

U ovom procesu metali se obrađuju u vodenoj otopini na način da se na precizno definiranim razmacima razvijaju šupljine veličine nekoliko nanometara. Za ove strukture izrađene po mjeri već postoji širok spektar inovativnih primjena, uključujući pročišćavanje zraka, pohranu energije ili medicinsku tehnologiju. Posebno je obećavajuća upotreba poroznih metala u nanokompozitima. To je nova klasa kompozitnih materijala u kojima je vrlo fina matrična struktura ispunjena česticama veličine do 20 nanometara.

Nova tehnika koristi proces ultrazvučno izazvanog stvaranja mjehurića, koji se u fizici naziva kavitacija (od lat. “cavus” = “šupalj”). U pomorstvu se ovaj proces boji zbog velike štete koju može prouzrokovati na brodskim propelerima i turbinama. Naime, pri vrlo velikim brzinama rotacije pod vodom se stvaraju parni mjehurići. Nakon kratkog vremena pod izuzetno visokim pritiskom mjehurići se urušavaju prema unutra i pritom deformiraju metalne površine. Proces kavitacije može se generirati i pomoću ultrazvuka. Ultrazvuk se sastoji od kompresijskih talasa frekvencija iznad čujnog opsega (20 kHz) i stvara vakuumske mjehuriće u vodi i vodenim otopinama. Kada ti mjehurići implodiraju, nastaju temperature od nekoliko hiljada stepeni Celzijusa i izuzetno visoki pritisci do 1000 bar.

Gornja shema prikazuje učinke akustične kavitacije na modifikaciju metalnih čestica. Metali niske tačke topljenja (MP), kao što je cink (Zn), potpuno se oksidiraju; metali visoke tačke topljenja, poput nikla (Ni) i titanija (Ti), pokazuju modifikaciju površine pri ultrazvučnoj obradi. Aluminij (Al) i magnezij (Mg) tvore mezoporozne strukture. Plemeniti metali otporni su na ultrazvučno zračenje zbog svoje stabilnosti prema oksidaciji. Tačke topljenja metala navedene su u stepenima Kelvina (K).

Precizna kontrola ovog procesa može dovesti do ciljanog nanostrukturiranja metala suspendiranih u vodenoj otopini – uz određena fizikalna i hemijska svojstva metala. Metali, naime, vrlo različito reagiraju na takvu ultrazvučnu obradu, kao što je pokazala dr. Daria Andreeva sa svojim kolegama u Golmu, Berlinu i Minsku. Kod metala visoke reaktivnosti, kao što su cink, aluminij i magnezij, postupno se stvara matrična struktura stabilizirana oksidnim slojem. Rezultat su porozni metali koji se, na primjer, mogu dalje prerađivati u kompozitne materijale. Plemeniti metali kao što su zlato, platina, srebro i paladij, međutim, ponašaju se drugačije. Zbog niske sklonosti oksidaciji oni su otporni na ultrazvučni tretman i zadržavaju svoje početne strukture i svojstva.

Slika iznad pokazuje da se ultrazvuk može koristiti i za zaštitu aluminijskih legura od korozije. Lijevo: fotografija aluminijske legure u vrlo korozivnoj otopini, ispod koje je elektronskomikroskopski snimak površine na kojoj je – zahvaljujući ultrazvučnoj obradi – nastao polielektrolitni sloj. Taj sloj nudi zaštitu od korozije tokom 21 dana. Desno: ista aluminijska legura koja nije bila izložena ultrazvučnoj obradi. Površina je potpuno korodirala.

Činjenica da različiti metali dramatično različito reagiraju na ultrazvučnu obradu može se iskoristiti za inovacije u znanosti o materijalima. Legure se na taj način mogu pretvoriti u nanokompozite u kojima su čestice stabilnijeg materijala obuhvaćene poroznom matricom manje stabilnog metala. Tako nastaju vrlo velike površine na vrlo ograničenom prostoru, što omogućuje upotrebu tih nanokompozita kao katalizatora. Oni uzrokuju posebno brze i efikasne hemijske reakcije.

Uz dr. Dariju Andreevu, istraživačkim rezultatima doprinijeli su i istraživači prof. dr. Andreas Fery, dr. Nicolas Pazos-Perez i Jana Schäferhans, također s Odjela za fizikalnu hemiju II. Sa svojim kolegama s Instituta Max Planck za koloide i međupovršine u Golmu, iz Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH i s Bjeloruskog državnog univerziteta u Minsku objavili su svoje najnovije rezultate online u časopisu “Nanoscale”.