Ultrazvukové nanostrukturování pro výrobu porézních kovů

Sonochemie je velmi účinným nástrojem pro inženýrství a funkcionalizaci nanomateriálů. V metalurgii ultrazvukové ozařování podporuje tvorbu porézních kovů. Výzkumná skupina Dr. Darii Andreevy vyvinula účinný a nákladově efektivní postup za pomoci ultrazvuku k výrobě mezoporézních kovů.

Porézní kovy přitahují velký zájem mnoha technologických oborů díky svým vynikajícím vlastnostem, jako je odolnost proti korozi, mechanická pevnost a schopnost odolávat mimořádně vysokým teplotám. Tyto vlastnosti jsou založeny na nanostrukturovaných površích s póry o průměru pouhých několika nanometrů. Mezoporézní materiály se vyznačují velikostí pórů mezi 2 až 50 nm, zatímco mikroporézní materiál má velikost pórů menší než 2 nm. Mezinárodní výzkumný tým, jehož součástí je Dr. Daria Andreeva z Univerzity v Bayreuthu (Katedra fyzikální chemie II), úspěšně vyvinul těžký a nákladově efektivní ultrazvukový postup pro návrh a výrobu takových kovových struktur.

Při tomto procesu se kovy zpracovávají ve vodném roztoku tak, že se v přesně definovaných mezerách vyvíjejí dutiny o velikosti několika nanometrů. Pro tyto na míru šité konstrukce již existuje široké spektrum inovativních aplikací, včetně čištění vzduchu, skladování energie nebo lékařské techniky. Zvláště slibné je použití porézních kovů v nanokompozitech. Jedná se o novou třídu kompozitních materiálů, ve kterých je velmi jemná struktura matrice vyplněna částicemi o velikosti až 20 nanometrů.

Nová technika využívá proces tvorby ultrazvukem generovaných bublin, který se ve fyzice nazývá kavitace (odvozeno z lat. “Cavus” = “dutý”). V námořním průmyslu je tento proces obávaný kvůli velkým škodám, které může způsobit lodním šroubům a turbínám. Při velmi vysokých rychlostech otáčení se totiž pod vodou tvoří parní bubliny. Po krátké době pod extrémně vysokým tlakem se bubliny zhroutí dovnitř a tím deformují kovové povrchy. Proces kavitace lze také generovat pomocí ultrazvuku. Ultrazvuk se skládá z kompresních vln s frekvencemi nad slyšitelným rozsahem (20 kHz) a vytváří vakuové bubliny ve vodě a vodných roztocích. Při implodaci těchto bublin vznikají teploty několika tisíc stupňů Celsia a extrémně vysoké tlaky až 1000 barů.

Výše uvedené schéma ukazuje účinky akustické kavitace na modifikaci kovových částic. Kovy s nízkou teplotou tání (MP) jako zinek (Zn) jsou zcela oxidovány; kovy s vysokou teplotou tání, jako je nikl (Ni) a titan (Ti), vykazují povrchovou modifikaci pod sonikací. Hliník (Al) a hořčík (Mg) tvoří mezoporézní struktury. Kovy Nobel jsou odolné vůči ultrazvukovému záření díky své stabilitě proti oxidaci. Teploty tání kovů se udávají ve stupních Kelvina (K).

Přesná kontrola tohoto procesu může vést k cílenému nanostrukturování kovů suspendovaných ve vodném roztoku – vzhledem k určitým fyzikálním a chemickým vlastnostem kovů. Kovy totiž reagují velmi odlišně, když jsou vystaveny takové sonikaci, jak ukázala Dr. Daria Andreeva spolu se svými kolegy v Golmu, Berlíně a Minsku. U kovů s vysokou reaktivitou, jako je zinek, hliník a hořčík, se postupně vytváří matricová struktura, stabilizovaná oxidovým povlakem. Výsledkem jsou porézní kovy, které lze například dále zpracovávat v kompozitních materiálech. Ušlechtilé kovy, jako je zlato, platina, stříbro a palladium, se však chovají odlišně. Vzhledem k jejich nízkému sklonu k oxidaci odolávají ultrazvukovému ošetření a zachovávají si svou původní strukturu a vlastnosti.

Výše uvedený obrázek ukazuje, že ultrazvuk lze použít i k ochraně hliníkových slitin proti korozi. Vlevo: Fotografie slitiny hliníku ve vysoce korozivním roztoku, pod elektronickomikroskopickým snímkem povrchu, na kterém se – v důsledku sonikace – vytvořil polyelektrický povlak. Tento povlak nabízí ochranu proti korozi po dobu 21 dnů. Vpravo: Stejná hliníková slitina, aniž by byla vystavena sonikaci. Povrch je zcela zkorodovaný.

Skutečnost, že různé kovy reagují na sonikaci dramaticky odlišnými způsoby, lze využít pro inovace ve vědě o materiálech. Slitiny lze převést tak, že se na nanokompozity nasadí částice stabilnějšího materiálu, které jsou uzavřeny v porézní matrici méně stabilního kovu. Ve velmi omezeném prostoru tak vznikají velmi velké plochy, které umožňují použití těchto nanokompozitů jako katalyzátorů. Způsobují obzvláště rychlé a účinné chemické reakce.

Společně s Dr. Dariou Andreevou přispěli k výsledkům výzkumu výzkumníci Prof. Dr. Andreas Fery, Dr. Nicolas Pazos-Perez a Jana Schäferhans, rovněž z katedry Fyzikální chemie II. Spolu se svými kolegy z Max Planck Institute of Colloids and Interfaces v Golmu, Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH a Běloruské státní univerzity v Minsku publikovali své nejnovější výsledky online v časopise “Nanoměřítko”.