Ultralyd nano-strukturering til fremstilling af porøse metaller

Sonokemi er et meget effektivt værktøj til konstruktion og funktionalisering af nanomaterialer. I metallurgi fremmer ultralydbestrålingen dannelsen af porøse metaller. Dr. Daria Andreevas forskningsgruppe udviklede en effektiv og omkostningseffektiv ultralydsassisteret procedure til fremstilling af mesoporøse metaller.

Porøse metaller tiltrækker stor interesse for mangfoldige teknologiske grene på grund af deres fremragende egenskaber såsom deres korrosionsbestandighed, mekaniske styrke og evnen til at modstå ekstremt 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 posestørrelser mellem 2 og 50 nm, mens mikroporøst materiale har en porestørrelse mindre end 2 nm. Et internationalt forskerhold, herunder Dr. Daria Andreeva fra Bayreuth University (Institut for Fysisk Kemi II), har med succes udviklet en kraftig 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 på få nanometer udvikler sig i præcist definerede mellemrum. For 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. Det er en ny klasse af kompositmaterialer, hvor en meget fin matrixstruktur er fyldt med partikler i størrelse op til 20 nanometer.

Den nye teknik anvender en proces med ultralydgenereret bobledannelse, som kaldes kavitation i fysik (afledt af lat. “Cavus” = “hul”). Inden for søfart frygtes denne proces på grund af de store skader, den kan forårsage på skibspropeller og turbiner. For ved meget høje rotationshastigheder dannes dampbobler under vand. Efter en kort periode under ekstremt højt tryk kollapser boblerne indad og deformerer dermed de metalliske overflader. Processen med at Kavitation kan også genereres ved hjælp af ultralyd. Ultralyd er sammensat af kompressionsbølger med frekvenser over det hørbare område (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.

Skemaet ovenfor viser virkningerne af akustisk kavitation på modifikation af metalpartikler. Metaller med et lavt smeltepunkt (MP) som zink (Zn) oxideres fuldstændigt; metaller med et højt smeltepunkt som nikkel (Ni) og titanium (Ti) udviser overflademodifikation under sonikering. Aluminium (Al) og magnesium (Mg) danner mesoporøse strukturer. Nobelmetaller er modstandsdygtige over for ultralydsbestråling 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 ved metallerne. For metaller reagerer meget forskelligt, når de udsættes for en sådan sonikering, som Dr. Daria Andreeva sammen med sine kolleger i Golm, Berlin og Minsk har vist. I metaller med høj reaktivitet som zink, aluminium og magnesium dannes der gradvist en matrixstruktur, der stabiliseres af en oxidbelægning. Det resulterer i porøse metaller, der f.eks. kan videreforarbejdes i kompositmaterialer. Ædelmetaller som guld, platin, sølv og palladium opfører sig dog forskelligt. På grund af deres lave oxidationstendens modstår de ultralydsbehandlingen og bevarer deres oprindelige strukturer og egenskaber.

Billedet ovenfor viser, at ultralyd også kan bruges til beskyttelse af aluminiumslegeringer mod korrosion. Til venstre: Billedet af en aluminiumslegering i en stærkt ætsende opløsning under et elektrisk mikroskopisk billede af overfladen, hvorpå der - på grund af sonikering - er dannet en polyelectolytbelægning. Denne belægning giver en beskyttelse mod korrosion i 21 dage. Til højre: Den samme aluminiumslegering uden at have været udsat for sonikering. Overfladen er fuldstændig korroderet.

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

Sammen med Dr. Daria Andreeva bidrog forskerne Prof. Dr. Andreas Fery, Dr. Nicolas Pazos-Perez og Jana Schäferhans, også fra Institut for Fysisk Kemi II, til forskningsresultaterne. Sammen med deres kolleger på Max Planck Institute of Colloids and Interfaces 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 “Nanoskala”.