Sonochemie Je to velmi účinný nástroj pro strojírenství a funkcionalizace nanomateriálů. V hutnictví, ultrazvuku, podporuje tvorbu porézních kovů. Výzkumná skupina Dr. Daria Andreeva vyvinut efektivní a nákladově efektivní ultrazvukem asistované postup k výrobě mezoporézní kovy.

Porézní kovy přitahují velký zájem o rozmanité technologické obory díky vynikajícím vlastnostem, jako je jejich odolnost proti korozi, mechanická pevnost a schopnost odolávat extrémně vysokým teplotám. Tyto vlastnosti jsou založeny na nanostrukturovaných površích s póry o průměru jen několik nanometrů. Mesoporézní materiály jsou charakterizovány velikostí pózu mezi 2 až 50 nm, zatímco mikroporézní materiál má velikost pórů menší než 2 nm. Mezinárodní výzkumný tým včetně Dr. Daryy Andreevy z Bayreutské univerzity (Ústav fyzikální chemie II) úspěšně vyvinul silnou a nákladově efektivní ultrazvukovou proceduru pro návrh a výrobu takovýchto kovových konstrukcí.

V tomto procesu, kovy působí ve vodném roztoku tak, aby dutiny v řádu několika nanometrů vyvíjet, v přesně definovaných mezer. U těchto míru struktur, již existuje široké spektrum inovativních aplikací, včetně čištění vzduchu, skladování energie a zdravotnické techniky. Zvláště perspektivní je použití porézních kovů v nanokompozity. Jedná se o novou třídou kompozitních materiálů, ve kterém je velmi jemná struktura matice naplněna částicemi v rozmezí velikosti až do 20 nanometrů.

Nová metoda využívá proces ultrazvukem generovaného tvorby bublin, který je nazývaný kavitaci z fyziky (odvozeno od lat. “kavus” = “dutý”). V mořeplavectví, tento proces se obával kvůli velkému poškození může způsobit lodních vrtulí a turbin. Pro při velmi vysokých rychlostech otáčení, parní bubliny se tvoří pod vodou. Po krátkém období velmi vysokým tlakem zhroutí dovnitř bubliny, tedy deformaci kovové povrchy. Proces kavitace mohou také být generovány za použití ultrazvuku. Ultrazvuk se skládá z kompresních vln s frekvencemi nad slyšitelném rozsahu (20 kHz) a generuje vakuových bublin ve vodě a vodných roztocích. Teploty několika tisíc stupňů Celsia a extrémně vysoké tlaky až 1000 bar vznikají, když jsou tyto bubliny zhroutí.

Schéma výše 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 nikl (Ni) a titan (Ti) vykazují povrchovou modifikaci při sonikaci. Hliník (Al) a hořčík (Mg) tvoří mezoporézní struktury. Nobelovy kovy jsou odolné proti ozáření ultrazvukem kvůli jejich stabilitě proti oxidaci. Teploty tání kovů jsou uvedeny ve stupních Kelvin (K).

Přesná kontrola tohoto procesu může vést k cílené nanostrukturaci kovů suspendovaných ve vodném roztoku - vzhledem k určitým fyzikálním a chemickým vlastnostem kovů. Kovy reagují velmi odlišně, když jsou vystaveny takové sonikaci, jak ukázala Dr. Daria Andreeva společně 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. To vede k porézním kovům, které mohou být například dále zpracovány v kompozitních materiálech. Vzácné kovy, jako je zlato, platina, stříbro a palladium, se však chovají odlišně. Vzhledem k jejich nízké oxidační tendenci odolávají ultrazvukové léčbě a zachovávají původní struktury a vlastnosti.

Obrázek nahoře ukazuje, že ultrazvuk může být také použita k ochraně hliníkových slitin proti korozi. Na levé straně: Fotografie z hliníkové slitiny, v silně korozivním roztokem, níže uvedenou electomicroscopic obraz povrchu, na které - vzhledem k ultrazvuku - se nevytvoří polyelectolyte povlak. Tento povlak nabízí ochranu proti korozi po dobu 21 dnů. Na pravé straně: stejné hliníkové slitiny, aniž by byly vystaveny ultrazvuku. Povrch je zcela zkorodovaný.

Skutečnost, že různé kovy reagují dramaticky odlišnými způsoby na sonikaci, lze využít pro inovace ve vědě o materiálech. Slitiny mohou být přeměněny takovým způsobem na nanokompozity, ve kterých jsou částice stabilnějšího materiálu uzavřeny v porézní matrici méně stabilního kovu. Velmi rozsáhlé povrchové plochy se tak objevují ve velmi omezeném prostoru, což umožňuje použití těchto nanokompozitů jako katalyzátorů. Jedná se zejména o rychlé a účinné chemické reakce.

Společně s Dr. Daria Andreevy vědci Prof. Dr. Andreas FERY, Dr. Nicolas Pazos-Perez a Jana Schäferhans, také z oddělení fyzikální chemie II, přispěl k výsledkům výzkumu. Se svými kolegy z Institutu Maxe Plancka koloidů a rozhraní v Golm, Helmholtz-Zentrum für Berlin Materialien und Energie GmbH a běloruská State University v Minsku, které zveřejnily své nejnovější výsledky on-line v časopise “nanotechnologie”,