sonochemistry είναι ένα πολύ αποτελεσματικό εργαλείο για τη μηχανική και την ενεργοποίηση των νανοϋλικών. Στη μεταλλουργία, η υπερηχητική ακτινοβολία προάγει τον σχηματισμό πορώδους μετάλλων. Η ερευνητική ομάδα του Δρ Daria Andreeva αναπτύξει μια αποτελεσματική και οικονομικά αποδοτική διαδικασία υπερήχων-βοηθείται να παράγουν μεσοπορώδη μέταλλα.

Τα πορώδη μέταλλα προσελκύουν μεγάλο ενδιαφέρον από πολλαπλούς τεχνολογικούς κλάδους λόγω των εξαιρετικών χαρακτηριστικών τους, όπως η αντοχή στη διάβρωση, η μηχανική αντοχή και η ικανότητα αντοχής σε υπερβολικά υψηλές θερμοκρασίες. Αυτές οι ιδιότητες βασίζονται στις νανοδομημένες επιφάνειες με πόρους με διάμετρο μόλις λίγα νανόμετρα. Τα μεσοπόρια υλικά χαρακτηρίζονται από μεγέθη ποζών μεταξύ 2 έως 50 nm, ενώ τα μικροπορώδη υλικά έχουν μέγεθος πόρων μικρότερο από 2 nm. Μια διεθνής ερευνητική ομάδα, συμπεριλαμβανομένης της Δρ. Daria Andreeva του Πανεπιστημίου του Bayreuth (Τμήμα Φυσικής Χημείας II), ανέπτυξε με επιτυχία μια διαδικασία βαρέως τύπου και οικονομικά αποδοτική υπερήχων για το σχεδιασμό και την παραγωγή τέτοιων μεταλλικών κατασκευών.

Σε αυτή τη διαδικασία, τα μέταλλα αντιμετωπίζονται σε ένα υδατικό διάλυμα κατά τέτοιο τρόπο ώστε κοιλότητες μερικών νανομέτρων εξελίσσονται, σε σαφώς καθορισμένες κενά. Γι 'αυτούς τους tailor-made δομές, υπάρχει ήδη ένα ευρύ φάσμα καινοτόμων εφαρμογών, συμπεριλαμβανομένου του καθαρισμού του αέρα, την αποθήκευση ενέργειας ή της ιατρικής τεχνολογίας. Ιδιαίτερα ελπιδοφόρα είναι η χρήση του πορώδους μετάλλων σε νανοσύνθετων. Αυτά είναι μία νέα κατηγορία των σύνθετων υλικών, στην οποία ένα πολύ λεπτή δομή πλέγματος είναι γεμάτη με σωματίδια που κυμαίνονται σε μέγεθος έως και 20 νανόμετρα.

Η νέα τεχνική χρησιμοποιεί μια διαδικασία με υπερήχους που δημιουργείται σχηματισμού φυσαλίδων, το οποίο ονομάζεται σπηλαίωση στη φυσική (που προέρχεται από λατ. “κοιλοποδία” = “κοίλος”). Στη ναυτιλία, η διαδικασία αυτή είναι ο φόβος λόγω της μεγάλης ζημιάς που μπορεί να προκαλέσει στους έλικες πλοίων και ανεμογεννήτριες. Για σε πολύ υψηλές ταχύτητες περιστροφής, φυσαλίδες ατμού σχηματίζουν κάτω από το νερό. Μετά υπό εξαιρετικά υψηλή πίεση σε σύντομο χρονικό διάστημα οι φυσαλίδες καταρρέουν προς τα έσω, παραμορφώνοντας έτσι τις μεταλλικές επιφάνειες. Η διαδικασία του σπηλαίωση μπορούν επίσης να δημιουργηθούν με τη χρήση υπερήχων. Υπέρηχος αποτελείται από θλιπτικών κύματα με συχνότητες πάνω από το ακουστικό φάσμα (20 kHz) και δημιουργεί φυσαλίδες κενού σε νερό και υδατικά διαλύματα. Θερμοκρασίες αρκετές χιλιάδες βαθμούς Κελσίου και εξαιρετικά υψηλές πιέσεις έως και 1000 bar προκύπτουν όταν αυτές οι φούσκες σκάνε.

Το παραπάνω σχήμα δείχνει τα αποτελέσματα της ακουστικής σπηλαίωσης στην τροποποίηση των σωματιδίων μετάλλου. Τα μέταλλα με χαμηλό σημείο τήξης (MP) ως ψευδάργυρος (Zn) οξειδώνονται πλήρως. τα μέταλλα με υψηλό σημείο τήξης όπως το νικέλιο (Ni) και το τιτάνιο (Ti) παρουσιάζουν τροποποίηση επιφάνειας υπό υπερήχους. Το αργίλιο (Al) και το μαγνήσιο (Mg) σχηματίζουν μεσοπορείς δομές. Τα Nobel Metals είναι ανθεκτικά στην ακτινοβολία υπερήχων λόγω της σταθερότητάς τους έναντι της οξείδωσης. Τα σημεία τήξης των μετάλλων καθορίζονται σε βαθμούς Kelvin (K).

Ένας ακριβής έλεγχος αυτής της διεργασίας μπορεί να οδηγήσει σε στοχοθετημένη νανοσυσσωμάτωση μετάλλων εναιωρημένων σε ένα υδατικό διάλυμα - δεδομένων ορισμένων φυσικών και χημικών χαρακτηριστικών των μετάλλων. Για τα μέταλλα να αντιδρούν πολύ διαφορετικά όταν εκτίθενται σε μια τέτοια υπερήχηση, όπως έδειξε η Δρ. Daria Andreeva μαζί με τους συναδέλφους της στο Golm, το Βερολίνο και το Μινσκ. Σε μέταλλα με υψηλή αντιδραστικότητα όπως ο ψευδάργυρος, το αλουμίνιο και το μαγνήσιο, σχηματίζεται σταδιακά μια δομή μήτρας, σταθεροποιημένη με επικάλυψη οξειδίου. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα τα πορώδη μέταλλα που μπορούν για παράδειγμα να υποστούν περαιτέρω επεξεργασία σε σύνθετα υλικά. Τα ευγενή μέταλλα, όπως ο χρυσός, η πλατίνα, το ασήμι και το παλλάδιο, ωστόσο, συμπεριφέρονται διαφορετικά. Λόγω της χαμηλής τους τάσης οξείδωσης, αντιστέκονται στην επεξεργασία υπερήχων και διατηρούν τις αρχικές τους δομές και ιδιότητες.

Η παραπάνω εικόνα δείχνει ότι υπερήχων μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί για την προστασία των κραμάτων αλουμινίου από την διάβρωση. Στα αριστερά: Η φωτογραφία ενός κράματος αλουμινίου σε ένα εξαιρετικά διαβρωτικά διάλυμα, κάτω από ένα electomicroscopic εικόνα της επιφάνειας, επί της οποίας - λόγω κατεργασία με υπερήχους - έχει σχηματιστεί ένα επίχρισμα polyelectolyte. Αυτή η επίστρωση προσφέρει προστασία από τη διάβρωση για 21 ημέρες. Στη δεξιά: Το ίδιο κράμα αλουμινίου χωρίς να έχουν εκτεθεί σε κατεργασία με υπερήχους. Η επιφάνεια είναι εντελώς διαβρωθεί.

Το γεγονός ότι διαφορετικά μέταλλα αντιδρούν δραματικά σε διαφορετικούς τρόπους με την υπερήχηση μπορεί να αξιοποιηθεί για καινοτομίες στην επιστήμη των υλικών. Τα κράματα μπορούν να μετατραπούν κατά τέτοιο τρόπο σε νανοσύνθετα στα οποία τα σωματίδια του πιο σταθερού υλικού εγκλείονται σε μια πορώδη μήτρα του λιγότερο σταθερού μετάλλου. Πολύ μεγάλες επιφάνειες, επομένως, εμφανίζονται σε πολύ περιορισμένο χώρο, γεγονός που επιτρέπει σε αυτά τα νανοσύνθετα να χρησιμοποιηθούν ως καταλύτες. Κάνουν ιδιαίτερα γρήγορες και αποτελεσματικές χημικές αντιδράσεις.

Μαζί με τον Δρ Ντάρια Andreeva, οι ερευνητές καθηγητής Δρ Ανδρέας Στολές, Δρ Nicolas Pazos-Perez και Jana Schäferhans, επίσης, του Τμήματος Φυσικής Χημείας ΙΙ, συνέβαλαν τα αποτελέσματα της έρευνας. Με τους συναδέλφους τους στο Ινστιτούτο Max Planck της Κολλοειδών και Διεπαφές στο Golm, η Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH και το Κρατικό Πανεπιστήμιο της Λευκορωσίας στο Μινσκ, έχουν δημοσιευθεί τελευταία αποτελέσματά τους στο περιοδικό “νανοκλίμακα”.