Ultrazvučno nano-strukturiranje za proizvodnju poroznih metala

Sonochemistry je vrlo efikasan alat za inženjering i funkcionalizaciju nano materijala. U metalurgiji, ultrazvučno zračenje pospješuje stvaranje poroznih metala. Istraživačka grupa dr Darije Andreeve razvila je efikasnu i ekonomičnu ultrazvučnu proceduru za proizvodnju mezoporoznih metala.

Porozni metali privlače veliki interes brojnih tehnoloških grana zbog svojih izvanrednih karakteristika kao što su otpornost na koroziju, mehanička čvrstoća i sposobnost da izdrže izuzetno visoke temperature. Ova svojstva se zasnivaju na nanostrukturiranim površinama sa porama veličine samo nekoliko nanometara u prečniku. Mezoporozni materijali se odlikuju veličinama poza između 2 i 50 nm, dok mikroporozni materijali imaju veličinu pora manju od 2 nm. Međunarodni istraživački tim uključujući dr. Daria Andreeva sa Univerziteta Bayreuth (Odjel za fizičku hemiju II) uspješno je razvio težak i isplativ ultrazvučni postupak za dizajn i proizvodnju takvih metalnih struktura.

U ovom procesu metali se tretiraju u vodenom rastvoru na način da se razvijaju šupljine od nekoliko nanometara, u precizno definisanim prazninama. Za ove strukture napravljene po meri, već postoji širok spektar inovativnih primena, uključujući čišćenje vazduha, skladištenje energije ili medicinsku tehnologiju. Posebno obećavajuća je upotreba poroznih metala u nanokompozitima. Riječ je o novoj klasi kompozitnih materijala, u kojima je vrlo fina matrična struktura ispunjena česticama veličine do 20 nanometara.

Nova tehnika koristi proces ultrazvučno generiranog formiranja mjehurića, koji se u fizici naziva kavitacija (izveden od lat. “cavus” = “šuplje”). U pomorstvu se strahuje od ovog procesa zbog velike štete koju može nanijeti brodskim propelerima i turbinama. Jer pri vrlo velikim brzinama rotacije pod vodom se stvaraju mjehurići pare. Nakon kratkog perioda pod ekstremno visokim pritiskom, mjehurići se urušavaju prema unutra, deformišući metalne površine. Proces od kavitacija može se generirati i ultrazvukom. Ultrazvuk se sastoji od kompresijskih talasa sa frekvencijama iznad čujnog opsega (20 kHz) i stvara vakuumske mehuriće u vodi i vodenim rastvorima. Temperature od nekoliko hiljada stepeni Celzijusa i ekstremno visoki pritisci do 1000 bara nastaju kada ovi mehurići eksplodiraju.

Gornja shema pokazuje efekte akustične kavitacije na modifikaciju metalnih čestica. Metali s niskom tačkom topljenja (MP) kao cink (Zn) su potpuno oksidirani; metali sa visokom tačkom topljenja kao što su nikl (Ni) i titanijum (Ti) pokazuju površinsku modifikaciju pod sonikacijom. Aluminij (Al) i magnezij (Mg) formiraju mezoporozne strukture. Nobelovi metali su otporni na ultrazvučno zračenje zbog svoje stabilnosti na oksidaciju. Tačke topljenja metala su određene u stepenima Kelvina (K).

Precizna kontrola ovog procesa može dovesti do ciljanog nanostrukturiranja metala suspendovanih u vodenom rastvoru – s obzirom na određene fizičke i hemijske karakteristike metala. Jer metali reaguju veoma različito kada su izloženi takvoj sonikaciji, kao što je pokazala dr Darija Andreeva zajedno sa svojim kolegama u Golmu, Berlinu i Minsku. U metalima sa visokom reaktivnošću kao što su cink, aluminijum i magnezijum, postepeno se formira matrična struktura, stabilizovana oksidnim premazom. Ovo rezultira poroznim metalima koji se, na primjer, mogu dalje obraditi u kompozitnim materijalima. Međutim, plemeniti metali kao što su zlato, platina, srebro i paladijum ponašaju se drugačije. Zbog svoje niske sklonosti oksidaciji, otporni su na ultrazvučnu obradu i zadržavaju svoju početnu strukturu i svojstva.

Slika iznad pokazuje da se ultrazvuk može koristiti i za zaštitu aluminijskih legura od korozije. Na lijevoj strani: Fotografija legure aluminija u visoko korozivnom rastvoru, ispod elektromikroskopske slike površine, na kojoj je – zbog sonikacije – formiran polielektrolitni premaz. Ovaj premaz pruža zaštitu od korozije 21 dan. Desno: Ista aluminijumska legura bez izlaganja sonikaciji. Površina je potpuno korodirana.

Činjenica da različiti metali reagiraju na dramatično različite načine na sonikaciju može se iskoristiti za inovacije u nauci o materijalima. Legure se mogu pretvoriti u nanokompozite u kojima su čestice stabilnijeg materijala uklopljene u poroznu matricu manje stabilnog metala. Tako nastaju vrlo velike površine u vrlo ograničenom prostoru, što omogućava da se ovi nanokompoziti koriste kao katalizatori. Oni utiču na naročito brze i efikasne hemijske reakcije.

Zajedno sa dr Dariom Andreevom, istraživači prof. dr Andreas Fery, dr Nicolas Pazos-Perez i Jana Schäferhans, takođe sa Katedre za fizičku hemiju II, dali su doprinos rezultatima istraživanja. Sa svojim kolegama na Max Planck institutu za koloide i sučelja u Golmu, Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH i Bjeloruski državni univerzitet u Minsku, objavili su svoje najnovije rezultate online u časopisu “Nanoskala”.