Nanostrukturering med ultralyd til fremstilling af porøse metaller

Sonokemi er et meget effektivt værktøj til udvikling og funktionalisering af nanomaterialer. Inden for metallurgi fremmer ultralydsbestråling dannelsen af porøse metaller. Dr. Daria Andreevas forskningsgruppe udviklede en effektiv og omkostningseffektiv ultralydsassisteret metode til fremstilling af mesoporøse metaller.

Porøse metaller tiltrækker stor interesse fra mange forskellige teknologiske brancher på grund af deres fremragende egenskaber såsom korrosionsbestandighed, mekanisk styrke og evnen til at modstå ekstremt høje temperaturer. Disse egenskaber skyldes de nanostrukturerede overflader med porer, der kun måler få nanometer i diameter. Mesoporøse materialer er kendetegnet ved porestørrelser mellem 2 og 50 nm, mens mikroporøse materialer har en porestørrelse på mindre end 2nm. Et internationalt forskerhold, der omfatter Dr. Daria Andreeva fra universitetet i Bayreuth (Institut for Fysisk Kemi II), har med succes udviklet en robust og omkostningseffektiv ultralydsmetode til udformning og fremstilling af sådanne metalliske strukturer.

I denne proces behandles metaller i en vandig opløsning på en sådan måde, at hulrum på få nanometer opstår i præcist definerede mellemrum. Der findes allerede et bredt spektrum af innovative anvendelser for disse skræddersyede strukturer, herunder luftrensning, energilagring eller medicinsk teknologi. Særligt lovende er anvendelsen af porøse metaller i nanokompositter. Disse er en ny klasse af kompositmaterialer, hvor en meget fin matrixstruktur fyldes med partikler med størrelser på op til 20 nanometer.

Den nye teknik benytter en proces med bobledannelse fremkaldt af ultralyd, som i fysikken betegnes som kavitation (afledt af lat. “cavus” = “hul”). Inden for søfart er denne proces frygtet på grund af de store skader, den kan forårsage på skibspropeller og turbiner. Ved meget høje omdrejningshastigheder dannes der nemlig dampbobler under vand. Efter kort tid under ekstremt højt tryk kollapser boblerne indad og deformerer dermed de metalliske overflader. Processen med kavitation kan også fremkaldes ved hjælp af ultralyd. Ultralyd består af kompressionsbølger med frekvenser over det hørbare område (20 kHz) og danner 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.

Skemaet ovenfor viser den akustiske kavitations virkninger på modificeringen af metalpartikler. Metaller med et lavt smeltepunkt (MP), såsom zink (Zn), oxideres fuldstændigt; metaller med et højt smeltepunkt, såsom nikkel (Ni) og titan (Ti), udviser overflademodifikation under sonikering. Aluminium (Al) og magnesium (Mg) danner mesoporøse strukturer. Ædelmetaller er modstandsdygtige over for ultralydsbestråling på grund af deres stabilitet over for oxidation. Metallernes smeltepunkter er angivet i grader kelvin (K).

Præcis styring af denne proces kan føre til målrettet nanostrukturering af metaller suspenderet i en vandig opløsning – under forudsætning af visse fysiske og kemiske egenskaber hos metallerne. Metaller reagerer nemlig meget forskelligt, når de udsættes for sådan sonikering, 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 der gradvist en matrixstruktur, som stabiliseres af en oxidbelægning. Dette resulterer i porøse metaller, som eksempelvis kan videreforarbejdes til kompositmaterialer. Ædelmetaller som guld, platin, sølv og palladium opfører sig imidlertid anderledes. På grund af deres lave tendens til oxidation modstår de ultralydsbehandlingen og bevarer deres oprindelige strukturer og egenskaber.

Billedet ovenfor viser, at ultralyd også kan bruges til at beskytte aluminiumlegeringer mod korrosion. Til venstre: Fotoet af en aluminiumlegering i en stærkt korrosiv opløsning, nedenunder et elektronmikroskopisk billede af overfladen, hvorpå der – som følge af sonikering – er dannet en polyelektrolytbelægning. Denne belægning beskytter mod korrosion i 21 dage. Til højre: Den samme aluminiumlegering uden at have været udsat for sonikering. Overfladen er fuldstændigt korroderet.

Det faktum, at forskellige metaller reagerer markant forskelligt på sonikering, kan udnyttes til innovationer inden for materialevidenskab. Legeringer kan på denne måde omdannes til nanokompositter, hvor partikler af det mere stabile materiale indkapsles i en porøs matrix af det mindre stabile metal. Der opstår dermed meget store overfladearealer på meget begrænset plads, hvilket gør det muligt at anvende disse nanokompositter som katalysatorer. De fremkalder særligt hurtige og effektive kemiske reaktioner.

Sammen med Dr. Daria Andreeva bidrog forskerne Prof. Dr. Andreas Fery, Dr. Nicolas Pazos-Perez og Jana Schäferhans, ligeledes fra Institut for Fysisk Kemi II, til forskningsresultaterne. Sammen med deres kolleger ved Max Planck-instituttet for kolloider og grænseflader i Golm, Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH og det hviderussiske statsuniversitet i Minsk har de offentliggjort deres seneste resultater online i tidsskriftet “Nanoscale”.