Ultrazvuková nanostrukturace pro výrobu porézních kovů

Sonochemie je velmi účinný nástroj pro inženýrství a funkcionalizaci nanomateriálů. V metalurgii podporuje ultrazvukové ozařování tvorbu porézních kovů. Výzkumná skupina Dr. Darie Andreevy vyvinula účinný a nákladově efektivní postup s podporou ultrazvuku pro výrobu mezoporézních kovů.

Porézní kovy vzbuzují velký zájem v mnoha technologických odvětvích 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 v rozmezí 2 až 50 nm, zatímco mikroporézní materiály mají velikost pórů menší než 2nm. Mezinárodní výzkumný tým, jehož členkou je i Dr. Daria Andreeva z Univerzity v Bayreuthu (katedra fyzikální chemie II), úspěšně vyvinul robustní a nákladově efektivní ultrazvukový postup pro návrh a výrobu takových kovových struktur.

Při tomto procesu se kovy ve vodném roztoku zpracovávají tak, že v přesně definovaných mezerách vznikají dutiny o velikosti několika nanometrů. Pro tyto struktury na míru již existuje široké spektrum inovativních aplikací, včetně čištění vzduchu, skladování energie nebo lékařské techniky. Obzvláště perspektivní je využití porézních kovů v nanokompozitech. Jde o novou třídu kompozitních materiálů, v nichž je velmi jemná matricová struktura vyplněna částicemi o velikosti až 20 nanometrů.

Nová technika využívá proces ultrazvukem generované tvorby bublin, který se ve fyzice označuje jako kavitace (odvozeno z lat. „cavus“ = „dutý“). V námořní plavbě se tohoto procesu obávají kvůli velkým škodám, které může způsobit na lodních šroubech a turbínách. Při velmi vysokých otáčkách se totiž pod vodou tvoří parní bubliny. Po krátké době pod extrémně vysokým tlakem se bubliny zhroutí směrem dovnitř, a tím deformují kovové povrchy. Proces kavitace lze vyvolat také pomocí ultrazvuku. Ultrazvuk se skládá z tlakových (kompresních) vln s frekvencemi nad hranicí slyšitelnosti (20 kHz) a vytváří ve vodě a vodných roztocích vakuové bubliny. Při implozi těchto bublin vznikají teploty několika tisíc stupňů Celsia a extrémně vysoké tlaky až 1000 bar.

Výše uvedené schéma ukazuje účinky akustické kavitace na modifikaci kovových částic. Kovy s nízkým bodem tání (MP), jako je zinek (Zn), jsou zcela oxidovány; kovy s vysokým bodem tání, jako je nikl (Ni) a titan (Ti), vykazují při sonikaci povrchovou modifikaci. Hliník (Al) a hořčík (Mg) tvoří mezoporézní struktury. Ušlechtilé kovy jsou odolné vůči ultrazvukovému ozařování díky své stabilitě vůči oxidaci. Body tání kovů jsou uvedeny ve stupních Kelvina (K).

Přesné řízení tohoto procesu může vést k cílené nanostrukturaci kovů suspendovaných ve vodném roztoku – za předpokladu určitých fyzikálních a chemických vlastností kovů. Kovy totiž na takovou sonikaci reagují velmi rozdílně, 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 oxidickou vrstvou. 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. Díky své nízké tendenci k oxidaci odolávají ultrazvukovému ošetření a zachovávají si své původní struktury a vlastnosti.

Výše uvedený obrázek ukazuje, že ultrazvuk lze využít také k ochraně hliníkových slitin proti korozi. Vlevo: fotografie hliníkové slitiny ve vysoce korozivním roztoku, pod ní snímek povrchu z elektronového mikroskopu, na kterém se – díky sonikaci – vytvořil polyelektrolytový povlak. Tento povlak poskytuje ochranu proti korozi po dobu 21 dnů. Vpravo: stejná hliníková slitina, která nebyla vystavena sonikaci. Povrch je zcela zkorodovaný.

Skutečnost, že různé kovy reagují na sonikaci dramaticky odlišně, lze využít pro inovace v materiálové vědě. Slitiny lze přeměnit na nanokompozity, v nichž jsou částice stabilnějšího materiálu uzavřeny v porézní matrici méně stabilního kovu. Na velmi omezeném prostoru tak vznikají velmi velké povrchové plochy, které umožňují použití těchto nanokompozitů jako katalyzátorů. Ty zajišťují obzvláště rychlé a účinné chemické reakce.

Na výsledcích výzkumu se spolu s Dr. Darií Andreevou podíleli vědci Prof. Dr. Andreas Fery, Dr. Nicolas Pazos-Perez a Jana Schäferhans, rovněž z katedry fyzikální chemie II. Spolu se svými kolegy z Institutu Maxe Plancka pro koloidy a rozhraní v Golmu, z Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH a z Běloruské státní univerzity v Minsku zveřejnili své nejnovější výsledky online v časopise „Nanoscale“.