Υπερήχων νανο-δομή για την παραγωγή πορωδών μετάλλων

Ηχοχημεία είναι ένα πολύ αποτελεσματικό εργαλείο για τη μηχανική και τη λειτουργικότητα των νανοϋλικών. Στη μεταλλουργία, η υπερηχητική ακτινοβολία προάγει το σχηματισμό πορωδών μετάλλων. Η ερευνητική ομάδα της Δρ Daria Andreeva ανέπτυξε μια αποτελεσματική και οικονομικά αποδοτική διαδικασία με υπερήχους για την παραγωγή μεσοπορωδών μετάλλων.

Τα πορώδη μέταλλα προσελκύουν το μεγάλο ενδιαφέρον των πολλαπλών τεχνολογικών κλάδων λόγω των εξαιρετικών χαρακτηριστικών τους, όπως η αντοχή τους στη διάβρωση, η μηχανική αντοχή και η ικανότητα αντοχής σε εξαιρετικά υψηλές θερμοκρασίες. Αυτές οι ιδιότητες βασίζονται στις νανοδομημένες επιφάνειες με πόρους που μετρούν μόνο μερικά νανόμετρα σε διάμετρο. Τα μεσοπορώδη υλικά χαρακτηρίζονται από μεγέθη στάσης μεταξύ 2 και 50 nm, ενώ τα μικροπορώδη υλικά έχουν μέγεθος πόρων μικρότερο από 2nm. Μια διεθνής ερευνητική ομάδα, συμπεριλαμβανομένης της Δρ Daria Andreeva του Πανεπιστημίου Bayreuth (Τμήμα Φυσικοχημείας II), έχει αναπτύξει με επιτυχία μια βαρέως τύπου και οικονομικά αποδοτική διαδικασία υπερήχων για το σχεδιασμό και την παραγωγή τέτοιων μεταλλικών κατασκευών.

Σε αυτή τη διαδικασία, τα μέταλλα επεξεργάζονται σε υδατικό διάλυμα με τέτοιο τρόπο ώστε να εξελίσσονται κοιλότητες μερικών νανομέτρων, σε επακριβώς καθορισμένα κενά. Για αυτές τις εξατομικευμένες δομές, υπάρχει ήδη ένα ευρύ φάσμα καινοτόμων εφαρμογών, συμπεριλαμβανομένου του καθαρισμού του αέρα, της αποθήκευσης ενέργειας ή της ιατρικής τεχνολογίας. Ιδιαίτερα ελπιδοφόρα είναι η χρήση πορωδών μετάλλων σε νανοσύνθετα υλικά. Πρόκειται για μια νέα κατηγορία σύνθετων υλικών, στην οποία μια πολύ λεπτή δομή μήτρας γεμίζει με σωματίδια που κυμαίνονται σε μέγεθος έως 20 νανόμετρα.

Η νέα τεχνική χρησιμοποιεί μια διαδικασία σχηματισμού φυσαλίδων που παράγονται με υπερήχους, η οποία ονομάζεται σπηλαίωση στη φυσική (που προέρχεται από το lat. “Κάβους” = “κούφιος”). Στη ναυτιλία, αυτή η διαδικασία φοβάται, λόγω της μεγάλης ζημιάς που μπορεί να προκαλέσει στις έλικες και τις τουρμπίνες των πλοίων. Γιατί σε πολύ υψηλές ταχύτητες περιστροφής, σχηματίζονται φυσαλίδες ατμού κάτω από το νερό. Μετά από ένα σύντομο χρονικό διάστημα υπό εξαιρετικά υψηλή πίεση οι φυσαλίδες καταρρέουν προς τα μέσα, παραμορφώνοντας έτσι τις μεταλλικές επιφάνειες. Η διαδικασία της σπηλαίωση μπορεί επίσης να δημιουργηθεί χρησιμοποιώντας υπερήχους. Ο υπέρηχος αποτελείται από συμπιεστικά κύματα με συχνότητες πάνω από το ακουστικό εύρος (20 kHz) και παράγει φυσαλίδες κενού σε νερό και υδατικά διαλύματα. Θερμοκρασίες αρκετών χιλιάδων βαθμών Κελσίου και εξαιρετικά υψηλές πιέσεις μέχρι 1000 bar προκύπτουν όταν αυτές οι φυσαλίδες εκρήγνυνται.

Το παραπάνω σχήμα δείχνει τα αποτελέσματα της ακουστικής σπηλαίωσης στην τροποποίηση των μεταλλικών σωματιδίων. Τα μέταλλα με χαμηλό σημείο τήξης (MP) ως ψευδάργυρος (Zn) οξειδώνονται πλήρως. 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 μεσοπορώδεις δομές. Τα μέταλλα Νόμπελ είναι ανθεκτικά στην ακτινοβολία υπερήχων λόγω της σταθερότητάς τους έναντι της οξείδωσης. Τα σημεία τήξης των μετάλλων καθορίζονται σε βαθμούς Κέλβιν (Κ).

Ένας ακριβής έλεγχος αυτής της διαδικασίας μπορεί να οδηγήσει σε μια στοχευμένη νανοδομή των μετάλλων που αιωρούνται σε ένα υδατικό διάλυμα – δεδομένων ορισμένων φυσικών και χημικών χαρακτηριστικών των μετάλλων. Γιατί τα μέταλλα αντιδρούν πολύ διαφορετικά όταν εκτίθενται σε τέτοιες υπερηχήσεις, όπως έδειξε η Δρ Daria Andreeva μαζί με τους συναδέλφους της στο Golm, το Βερολίνο και το Μινσκ. Σε μέταλλα με υψηλή δραστικότητα όπως ο ψευδάργυρος, το αλουμίνιο και το μαγνήσιο, σχηματίζεται σταδιακά μια δομή μήτρας, σταθεροποιημένη με επικάλυψη οξειδίου. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα 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 τάσης οξείδωσης, αντιστέκονται στην υπερηχογραφική επεξεργασία και διατηρούν τις αρχικές δομές και ιδιότητές τους.

Η παραπάνω εικόνα δείχνει ότι ο υπέρηχος μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί για την προστασία των κραμάτων αλουμινίου από τη διάβρωση. Αριστερά: Η φωτογραφία ενός κράματος αλουμινίου σε ένα εξαιρετικά διαβρωτικό διάλυμα, κάτω από μια ηλεκτρολογοσκοπική εικόνα της επιφάνειας, στην οποία – λόγω υπερήχων – έχει σχηματιστεί μια επίστρωση πολυηλεκτρολύτη. Αυτή η επίστρωση προσφέρει προστασία από τη διάβρωση για 21 ημέρες. Στα δεξιά: Το ίδιο κράμα αλουμινίου χωρίς να έχει εκτεθεί σε υπερήχους. Η επιφάνεια είναι εντελώς διαβρωμένη.

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

Μαζί με τη Δρ Daria Andreeva, οι ερευνητές Prof. Dr. Andreas Fery, Dr. Nicolas Pazos-Perez και Jana Schäferhans, επίσης του τμήματος Φυσικοχημείας II, συνέβαλαν στα αποτελέσματα της έρευνας. Με τους συναδέλφους τους στο Ινστιτούτο Κολλοειδών και Διεπαφών Max Planck στο Golm, στο Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH και στο Κρατικό Πανεπιστήμιο της Λευκορωσίας στο Μινσκ, δημοσίευσαν τα τελευταία αποτελέσματά τους online στο περιοδικό “Νανοκλίμακα”.