Nano-Structuring poröser Metalle mittels Ultraschall

Sonochemie ist eine sehr effektive Methode für das Partikel Engineering und die Funktionalisierung von Nanomaterialien. In der Metallurgie wird Ultraschall genutzt, um porösen Metalle herzustellen. Die Forschungsgruppe von Dr. Daria Andreeva entwickelte eine effektives und kostengünstiges ultraschall-gestützte Verfahren, um mesoporöse Metalle zu produzieren.

Poröse Metalle sind für zahlreiche Technologiebranchen von hohem Interesse, da sie außerordentliche Eigenschaften wie hohe Korrosionsbeständigkeit, mechanische Belastbarkeit und hohe Temperaturbeständigkeit aufweisen. Diese Eigenschaften beruhen auf den nanostrukturierten Oberflächen mit Poren, die nur wenige Nanometer Durchmesser haben. Mesoporöse Materialien zeichnen sich durch Porengrößen zwischen 2 bis 50 nm aus, während mikroporöse Materialien Porengröße von weniger als 2nm haben. Das internationale Forscherteam um Dr. Daria Andrea von der Universität Bayreuth (Fakultät für physikalische Chemie II) hat erfolgreich ein leistungsstarkes, zuverlässiges und kostengünstig Ultraschall-Verfahren für die Herstellung solcher metallischen Strukturen entwickelt.

Bei diesem Prozess werden Metalle in einer wässrigen Lösung beschallt, so dass sich Hohlräume von wenigen Nanometern bilden und dadurch eine genau definierte Porosität des Metalls erzielt wird. Für diese spezifisch gefertigten Metallstrukturen gibt es bereits ein breites Spektrum an innovativen Anwendungen, z.B. für die Luftreinigung, Energiespeicherung oder in der Medizintechnik. Besonders viel versprechend ist der Einsatz von porösen Metalle in Nano-Kompositen. Sie stellen eine neue Klasse von Composite-Materialien dar, deren sehr feine Matrix-Struktur mit Partikeln mit einer Größe bis zu 20nm gefüllt ist.

Die neue Technik basiert auf der ultraschall-gestützten Blasenbildung, der sog. Kavitation (abgeleitet von lat. „cavus“ = „hohl“). Während die Kavitation in der Schifffahrt gefürchtet ist, da sie an den Propellern und Turbinen großen Schadens verursacht, ist sie in der Verfahrenstechnik eine äußerst wirkungsvolle Prozessmethode. Durch hohe Rotationsgeschwindigkeiten oder starke Oszillation entstehen Vakuumblasen in Wasser. Während einer Hochdruckphase implodieren die Blasen, wodurch lokal extreme Temperaturen und Drücke sowie Flüssigkeitsstrahlen mit bis zu 280m/sek. erzeugt werden. Diese Kavitationskräfte deformieren metallischen Oberflächen. Kavitation kann mittels Ultraschall sehr kontrolliert erzeugt werden. Ultraschall ist definiert als Kompressionswellen mit Frequenzen über den hörbaren Bereich (20kHz) und erzeugt Vakuumblasen in Wasser und wässrigen Lösungen. Wenn diese Kavitationsblasen implodieren, können Temperaturen von bis zu 5000°C und extrem hohe Drücke mit bis zu 2000bar entstehen.

Das Schaubild oben zeigt die Effekte der akustische Kavitation und die daraus resultierende Modifikation der Metallpartikel. Metalle mit einem niedrigen Schmelzpunkt wie Zink (Zn) werden vollständig oxidiert; bei Metallen mit hohem Schmelzpunkt wie Nickel (Ni) und Titan (Ti) wird durch Ultraschall eine Modifikation der Oberfläche sichtbar. Aluminium (Al) und Magnesium (Mg) bilden mesoporöse Strukturen. Edelmetalle erweisen sich aufgrund ihrer Oxidationsbeständigkeit als resistent gegen die Beschallung. Die Schmelzpunkte der Metalle sind in Grad Kelvin (K) angegeben.

Da das Ultraschallverfahren sehr genau gesteuert werden kann, lässt sich auch die Nanostrukturierung der Metalle präzise kontrollieren. Dass Metalle sehr unterschiedlich auf die Beschallung mit Ultraschall reagieren, hat Dr. Daria Andrea in Zusammenarbeit mit ihren Kollegen aus Golm, Berlin und Minsk gezeigt. In Metallen mit einer hoher Reaktivität - wie z.B. Zink, Aluminium und Magnesium - bildet sich allmählich eine Matrixstruktur, die durch eine Oxidschicht stabilisiert wird. Dies führt zur Formation poröser Metalle, die zum Beispiel in Verbundwerkstoffen weiterverarbeitet werden können. Edelmetalle wie Gold, Platin, Silber und Palladium verhalten sich jedoch anders. Aufgrund ihrer niedrigen Tendenz zur Oxidation zeigen sie sich gegenüber einer Beschallung mit Ultraschall resistent und behalten ihre ursprünglichen Strukturen und Eigenschaften.

Das Bild oben zeigt, dass Ultraschall auch eingesetzt werden kann, um Aluminium-Legierungen gegen Korrosion beständig zu machen. Auf der linken Seite: das Bild einer Aluminiumlegierung in einer stark ätzende Lösung; unten eine Elektronenmikroskop-Aufnahme der Oberfläche, auf der sich – durch Ultraschall – eine Polyelektolyt-Beschichtung gebildet hat. Diese Beschichtung bietet Schutz gegen Korrosion für 21 Tage. Auf der rechten Seite: die gleichen Aluminiumlegierung ohne Ultraschallbehandlung. Die Oberfläche ist vollständig korrodiert.

Die Tatsache, dass verschiedene Metalle sehr unterschiedlich auf Ultraschall reagieren, wird für Innovationen in der Materialwissenschaft genutzt. So können Legierungen in Nanokomposite verwandelt werden, indem Partikel eines stabileren Materials in eine poröse Matrix des weniger stabilen Metalls eingeschlossen werden. Dadurch entstehen sehr hohe Oberflächen, die es ermöglichen, dass diese Nanokomposite als Katalysatoren verwendet werden. Sie bewirken den schnelleren und effizienteren Ablauf chemischer Reaktionen.

Zusammen mit Dr. Daria Andreeva erarbeiteten die Forscher Prof. Dr. Andreas Fery, Dr. Nicolas Pazos-Perez und Jana Schäferhans, ebenfalls der Abteilung für physikalische Chemie II zugehörig, diese Forschungsergebnisse. In Zusammenarbeit mit den Kollegen vom Max Planck Institut für Kolloide in Golm, dem Helmholtz-Zentrum Berlin Für Materialien Und Energie GmbH und der weißrussischen Universität in Minsk haben sie ihre neuesten Ergebnisse online in der Zeitschrift „Nanoskala“.