Ultraschallgestützte Nanostrukturierung zur Herstellung poröser Metalle

Sonochemie ist ein sehr wirksames Werkzeug zur Herstellung und Funktionalisierung von Nanomaterialien. In der Metallurgie fördert die Ultraschallbestrahlung die Bildung poröser Metalle. Die Forschungsgruppe von Dr. Daria Andreeva entwickelte ein wirksames und kostengünstiges ultraschallgestütztes Verfahren zur Herstellung mesoporöser Metalle.

Poröse Metalle stoßen in zahlreichen Technologiebranchen auf großes Interesse aufgrund ihrer herausragenden Eigenschaften wie Korrosionsbeständigkeit, mechanischer Festigkeit und der Fähigkeit, extrem hohen Temperaturen standzuhalten. Diese Eigenschaften beruhen auf den nanostrukturierten Oberflächen mit Poren, deren Durchmesser nur wenige Nanometer beträgt. Mesoporöse Materialien zeichnen sich durch Porengrößen von 2 bis 50 nm aus, während mikroporöse Materialien eine Porengröße von weniger als 2nm aufweisen. Ein internationales Forschungsteam, dem Dr. Daria Andreeva von der Universität Bayreuth (Lehrstuhl für Physikalische Chemie II) angehört, hat erfolgreich ein leistungsfähiges und kostengünstiges Ultraschallverfahren zur Gestaltung und Herstellung solcher metallischen Strukturen entwickelt.

Bei diesem Verfahren werden Metalle in einer wässrigen Lösung so behandelt, dass in genau definierten Abständen Hohlräume von wenigen Nanometern entstehen. Für diese maßgeschneiderten Strukturen gibt es bereits ein breites Spektrum innovativer Anwendungen, darunter Luftreinigung, Energiespeicherung und Medizintechnik. Besonders vielversprechend ist der Einsatz poröser Metalle in Nanokompositen. Diese bilden eine neue Klasse von Verbundwerkstoffen, bei denen eine sehr feine Matrixstruktur mit Partikeln gefüllt ist, deren Größe bis zu 20 Nanometer beträgt.

Die neue Technik nutzt einen Prozess der durch Ultraschall erzeugten Blasenbildung, der in der Physik als Kavitation bezeichnet wird (abgeleitet vom lateinischen „cavus“ = „hohl“). In der Schifffahrt ist dieser Prozess wegen der großen Schäden gefürchtet, die er an Schiffspropellern und Turbinen verursachen kann. Denn bei sehr hohen Drehzahlen bilden sich unter Wasser Dampfblasen. Nach kurzer Zeit unter extrem hohem Druck kollabieren die Blasen nach innen und verformen dadurch die metallischen Oberflächen. Der Prozess der Kavitation kann auch durch Ultraschall erzeugt werden. Ultraschall besteht aus Kompressionswellen mit Frequenzen oberhalb des hörbaren Bereichs (20 kHz) und erzeugt Vakuumblasen in Wasser und wässrigen Lösungen. Wenn diese Blasen implodieren, entstehen Temperaturen von mehreren tausend Grad Celsius und extrem hohe Drücke von bis zu 1000 bar.

Das obige Schema zeigt die Auswirkungen akustischer Kavitation auf die Modifikation von Metallpartikeln. Metalle mit einem niedrigen Schmelzpunkt (MP) wie Zink (Zn) werden vollständig oxidiert; Metalle mit einem hohen Schmelzpunkt wie Nickel (Ni) und Titan (Ti) zeigen unter Beschallung eine Oberflächenmodifikation. Aluminium (Al) und Magnesium (Mg) bilden mesoporöse Strukturen. Edelmetalle sind aufgrund ihrer Oxidationsbeständigkeit gegenüber Ultraschallbestrahlung resistent. Die Schmelzpunkte der Metalle sind in Grad Kelvin (K) angegeben.

Eine präzise Steuerung dieses Prozesses kann zu einer gezielten Nanostrukturierung von Metallen führen, die in einer wässrigen Lösung suspendiert sind – sofern die Metalle bestimmte physikalische und chemische Eigenschaften aufweisen. Denn Metalle reagieren sehr unterschiedlich auf eine solche Beschallung, wie Dr. Daria Andreeva gemeinsam mit ihren Kollegen in Golm, Berlin und Minsk gezeigt hat. Bei Metallen mit hoher Reaktivität wie Zink, Aluminium und Magnesium bildet sich allmählich eine Matrixstruktur, die durch eine Oxidschicht stabilisiert wird. Dadurch entstehen poröse Metalle, die beispielsweise in Verbundwerkstoffen weiterverarbeitet werden können. Edelmetalle wie Gold, Platin, Silber und Palladium verhalten sich hingegen anders. Aufgrund ihrer geringen Oxidationsneigung widerstehen sie der Ultraschallbehandlung und behalten ihre ursprünglichen Strukturen und Eigenschaften bei.

Die obige Abbildung zeigt, dass Ultraschall auch zum Schutz von Aluminiumlegierungen vor Korrosion eingesetzt werden kann. Links: Das Foto einer Aluminiumlegierung in einer stark korrosiven Lösung, darunter eine elektronenmikroskopische Aufnahme der Oberfläche, auf der sich – durch Beschallung – eine Polyelektrolytschicht gebildet hat. Diese Schicht bietet für 21 Tage Schutz vor Korrosion. Rechts: Dieselbe Aluminiumlegierung ohne Beschallung. Die Oberfläche ist vollständig korrodiert.

Die Tatsache, dass verschiedene Metalle auf sehr unterschiedliche Weise auf Beschallung reagieren, lässt sich für Innovationen in der Materialwissenschaft nutzen. Legierungen können auf diese Weise in Nanokomposite umgewandelt werden, in denen Partikel des stabileren Materials in eine poröse Matrix des weniger stabilen Metalls eingebettet sind. So entstehen auf engstem Raum sehr große Oberflächen, die den Einsatz dieser Nanokomposite als Katalysatoren ermöglichen. Sie bewirken besonders schnelle und effiziente chemische Reaktionen.

Neben Dr. Daria Andreeva trugen die Forscher Prof. Dr. Andreas Fery, Dr. Nicolas Pazos-Perez und Jana Schäferhans, ebenfalls vom Lehrstuhl für Physikalische Chemie II, zu den Forschungsergebnissen bei. Mit ihren Kollegen am Max-Planck-Institut für Kolloid- und Grenzflächenforschung in Golm, am Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH und an der Belarussischen Staatlichen Universität in Minsk haben sie ihre neuesten Ergebnisse online in der Zeitschrift „Nanoscale“ veröffentlicht.