sonochemistry er et meget effektivt værktøj til konstruktion og funktionalisering af nano materialer. Ved metallurgi fremmer ultralydsbestrålingen dannelsen af ​​porøse metaller. Forskningsgruppen for Dr. Daria Andreeva udviklede en effektiv og omkostningseffektiv ultralydassisteret procedure til fremstilling af mesoporøse metaller.

Porøse metaller tiltrækker mange interesse for mange teknologiske grene på grund af deres fremragende egenskaber, såsom deres korrosionsbestandighed, mekanisk styrke og evnen til at modstå meget høje temperaturer. Disse egenskaber er baseret på de nanostrukturerede overflader med porer, der kun måler nogle få nanometer i diameter. Mesoporøse materialer er kendetegnet ved pose størrelser mellem 2 og 50 nm, mens mikroporøst materiale har en porestørrelse mindre end 2 nm. Et internationalt forskergruppe, deriblandt Dr. Daria Andreeva fra Bayreuth University (Department of Physical Chemistry II) har med held udviklet en tung og omkostningseffektiv ultralydsprocedure til design og produktion af sådanne metalliske strukturer.

I denne proces behandles metaller i en vandig opløsning på en sådan måde, at hulrum med få nanometre udvikler sig i præcist definerede huller. Til disse skræddersyede strukturer er der allerede et bredt spektrum af innovative applikationer, herunder luftrensning, energilagring eller medicinsk teknologi. Særligt lovende er brugen af ​​porøse metaller i nanokompositter. Disse er en ny klasse af kompositmaterialer, hvor en meget fin matrixstruktur er fyldt med partikler i størrelsen op til 20 nanometer.

Den nye teknik anvender en proces med ultralydsgenereret bobildannelse, som kaldes kavitation i fysik (afledt af lat. “Cavus” = “hule”). I søfarten er denne proces frygtet på grund af den store skade, det kan medføre at sende skibe og turbiner. Ved meget høje rotationshastigheder dannes dampbobler under vand. Efter en kort periode under ekstremt højt tryk kollapser boblerne indad og derved deformerer de metalliske overflader. Processen af kavitation kan også genereres ved hjælp af ultralyd. Ultralyd er sammensat af kompressionsbølger med frekvenser over det hørbare interval (20 kHz) og genererer vakuumbobler i vand og vandige opløsninger. Temperaturer på flere tusinde grader celsius og ekstremt høje tryk på op til 1000 bar opstår, når disse bobler imploderer.

Ovennævnte skema viser virkningerne af akustisk kavitation mod modifikation af metalpartikler. Metaller med lavt smeltepunkt (MP) som zink (Zn) oxideres fuldstændigt; Metaller med et højt smeltepunkt som nikkel (Ni) og titan (Ti) udviser overflade modifikation under sonikering. Aluminium (Al) og magnesium (Mg) danner mesoporøse strukturer. Nobelmetaller er modstandsdygtige over for ultralydbestråling på grund af deres stabilitet mod oxidation. Metallernes smeltepunkter er angivet i grader Kelvin (K).

En præcis kontrol af denne proces kan føre til en målrettet nanostrukturering af metaller suspenderet i en vandig opløsning - givet visse fysiske og kemiske egenskaber af metallerne. For metaller reagerer meget forskelligt, når de udsættes for sådan sonikation, som Dr. Daria Andreeva sammen med sine kolleger i Golm, Berlin og Minsk har vist. I metaller med høj reaktivitet, såsom zink, aluminium og magnesium, dannes en matrixstruktur gradvist, stabiliseret ved en oxidcoating. Dette resulterer i porøse metaller, som for eksempel kan forarbejdes yderligere i kompositmaterialer. Ædelmetaller som guld, platin, sølv og palladium opfører sig dog anderledes. På grund af deres lave oxidationstendens modstår de ultralydsbehandling og bevarer deres oprindelige strukturer og egenskaber.

Ovenstående billede viser, at ultralyd også kan bruges til beskyttelse af aluminiumlegeringer mod korrosion. Til venstre: Fotoet af en aluminiumlegering i en stærkt ætsende opløsning, under et elektromikroskopisk billede af overfladen, hvor der på grund af lydbehandling er dannet en polyelektolytbelægning. Denne coating giver beskyttelse mod korrosion i 21 dage. Til højre: Den samme aluminiumlegering uden at være udsat for lydbehandling. Overfladen er fuldstændig korroderet.

Det faktum, at forskellige metaller reagerer på dramatisk forskellige måder at sonikere kan udnyttes til innovationer inden for materialevidenskab. Legeringer kan omdannes på en sådan måde til nanokompositter, hvori partikler af det mere stabile materiale er indkapslet i en porøs matrix af det mindre stabile metal. Meget store overfladearealer opstår således i meget begrænset plads, hvilket gør det muligt at anvende disse nanokompositter som katalysatorer. De påvirker især hurtige og effektive kemiske reaktioner.

Sammen med dr. Daria Andreeva bidrog forskerne Prof. Dr. Andreas Fery, Dr. Nicolas Pazos-Perez og Jana Schäferhans, også af afdeling for Fysisk Kemi II, til forskningsresultaterne. Med deres kolleger på Max Planck Institut for Kolloider og Interfaces i Golm, Helmholtz-Zentrum Berlin for Materialen og Energie GmbH og Det Belarussiske Statens Universitet i Minsk, har de offentliggjort deres seneste resultater online i tidsskriftet “Nanoskala”.