Νανοδομή με υπερήχους για την παραγωγή πορωδών μετάλλων

Η ηχοχημεία είναι ένα πολύ αποτελεσματικό εργαλείο για τον σχεδιασμό και τη λειτουργικοποίηση νανοϋλικών. Στη μεταλλουργία, η ακτινοβόληση με υπερήχους προάγει τον σχηματισμό πορωδών μετάλλων. Η ερευνητική ομάδα της Δρ. Daria Andreeva ανέπτυξε μια αποτελεσματική και οικονομικά αποδοτική διαδικασία υποβοηθούμενη από υπερήχους για την παραγωγή μεσοπορωδών μετάλλων.

Τα πορώδη μέταλλα προσελκύουν έντονο ενδιαφέρον από πολλούς τεχνολογικούς κλάδους λόγω των εξαιρετικών χαρακτηριστικών τους, όπως η αντοχή στη διάβρωση, η μηχανική αντοχή και η ικανότητα να αντέχουν σε εξαιρετικά υψηλές θερμοκρασίες. Αυτές οι ιδιότητες βασίζονται στις νανοδομημένες επιφάνειες με πόρους διαμέτρου μόλις λίγων νανομέτρων. Τα μεσοπορώδη υλικά χαρακτηρίζονται από μεγέθη πόρων μεταξύ 2 και 50 nm, ενώ τα μικροπορώδη υλικά έχουν μέγεθος πόρων μικρότερο από 2nm. Μια διεθνής ερευνητική ομάδα, στην οποία συμμετέχει η Δρ. Daria Andreeva από το Πανεπιστήμιο του Bayreuth (Τμήμα Φυσικοχημείας II), ανέπτυξε με επιτυχία μια διαδικασία υπερήχων υψηλών απαιτήσεων και οικονομικά αποδοτική για τον σχεδιασμό και την παραγωγή τέτοιων μεταλλικών δομών.

Σε αυτή τη διαδικασία, τα μέταλλα υποβάλλονται σε επεξεργασία σε υδατικό διάλυμα με τέτοιον τρόπο ώστε να δημιουργούνται κοιλότητες λίγων νανομέτρων σε επακριβώς καθορισμένα διάκενα. Για αυτές τις κατά παραγγελία δομές υπάρχει ήδη ένα ευρύ φάσμα καινοτόμων εφαρμογών, όπως ο καθαρισμός του αέρα, η αποθήκευση ενέργειας ή η ιατρική τεχνολογία. Ιδιαίτερα ελπιδοφόρα είναι η χρήση πορωδών μετάλλων σε νανοσύνθετα υλικά. Πρόκειται για μια νέα κατηγορία σύνθετων υλικών, στα οποία μια πολύ λεπτή δομή μήτρας γεμίζει με σωματίδια μεγέθους έως 20 νανομέτρων.

Η νέα τεχνική αξιοποιεί μια διαδικασία σχηματισμού φυσαλίδων μέσω υπερήχων, η οποία στη φυσική ονομάζεται σπηλαίωση (από το λατινικό «cavus» = «κοίλος»). Στη ναυσιπλοΐα, η διαδικασία αυτή προκαλεί ανησυχία λόγω των μεγάλων ζημιών που μπορεί να προκαλέσει στις προπέλες των πλοίων και στους στροβίλους. Αυτό συμβαίνει επειδή, σε πολύ υψηλές ταχύτητες περιστροφής, σχηματίζονται φυσαλίδες ατμού κάτω από το νερό. Έπειτα από σύντομο χρονικό διάστημα υπό εξαιρετικά υψηλή πίεση, οι φυσαλίδες καταρρέουν προς το εσωτερικό τους, παραμορφώνοντας έτσι τις μεταλλικές επιφάνειες. Η διαδικασία της σπηλαίωσης μπορεί επίσης να προκληθεί με χρήση υπερήχων. Οι υπέρηχοι αποτελούνται από κύματα συμπίεσης με συχνότητες πάνω από το ακουστό φάσμα (20 kHz) και δημιουργούν φυσαλίδες κενού στο νερό και σε υδατικά διαλύματα. Όταν αυτές οι φυσαλίδες καταρρέουν προς το εσωτερικό τους, αναπτύσσονται θερμοκρασίες αρκετών χιλιάδων βαθμών Κελσίου και εξαιρετικά υψηλές πιέσεις έως 1000 bar.

Το παραπάνω σχήμα δείχνει τις επιδράσεις της ακουστικής σπηλαίωσης στην τροποποίηση μεταλλικών σωματιδίων. Μέταλλα με χαμηλό σημείο τήξης (MP), όπως ο ψευδάργυρος (Zn), οξειδώνονται πλήρως· μέταλλα με υψηλό σημείο τήξης, όπως το νικέλιο (Ni) και το τιτάνιο (Ti), παρουσιάζουν επιφανειακή τροποποίηση κατά την κατεργασία με υπερήχους. Το αλουμίνιο (Al) και το μαγνήσιο (Mg) σχηματίζουν μεσοπορώδεις δομές. Τα ευγενή μέταλλα είναι ανθεκτικά στην ακτινοβόληση με υπερήχους λόγω της σταθερότητάς τους έναντι της οξείδωσης. Τα σημεία τήξης των μετάλλων αναφέρονται σε βαθμούς Κέλβιν (K).

Ο ακριβής έλεγχος αυτής της διαδικασίας μπορεί να οδηγήσει σε στοχευμένη νανοδομή μετάλλων που αιωρούνται σε υδατικό διάλυμα – υπό την προϋπόθεση ότι τα μέταλλα διαθέτουν ορισμένα φυσικά και χημικά χαρακτηριστικά. Αυτό συμβαίνει επειδή τα μέταλλα αντιδρούν πολύ διαφορετικά όταν εκτίθενται σε τέτοια κατεργασία με υπερήχους, όπως έδειξε η Δρ. Daria Andreeva μαζί με τους συνεργάτες της στο Golm, στο Βερολίνο και στο Μινσκ. Σε μέταλλα με υψηλή δραστικότητα, όπως ο ψευδάργυρος, το αλουμίνιο και το μαγνήσιο, σχηματίζεται σταδιακά μια δομή μήτρας, η οποία σταθεροποιείται από μια επικάλυψη οξειδίου. Έτσι προκύπτουν πορώδη μέταλλα που μπορούν, για παράδειγμα, να υποστούν περαιτέρω επεξεργασία για την παραγωγή σύνθετων υλικών. Ωστόσο, τα ευγενή μέταλλα, όπως ο χρυσός, ο λευκόχρυσος, ο άργυρος και το παλλάδιο, συμπεριφέρονται διαφορετικά. Λόγω της χαμηλής τάσης τους για οξείδωση, αντιστέκονται στην κατεργασία με υπερήχους και διατηρούν τις αρχικές δομές και ιδιότητές τους.

Η παραπάνω εικόνα δείχνει ότι οι υπέρηχοι μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν για την προστασία κραμάτων αλουμινίου από τη διάβρωση. Αριστερά: Φωτογραφία ενός κράματος αλουμινίου σε ένα έντονα διαβρωτικό διάλυμα και, από κάτω, εικόνα ηλεκτρονικής μικροσκοπίας της επιφάνειας, στην οποία – λόγω της κατεργασίας με υπερήχους – έχει σχηματιστεί μια επικάλυψη πολυηλεκτρολύτη. Αυτή η επικάλυψη προσφέρει προστασία από τη διάβρωση για 21 ημέρες. Δεξιά: Το ίδιο κράμα αλουμινίου χωρίς να έχει υποβληθεί σε κατεργασία με υπερήχους. Η επιφάνεια έχει διαβρωθεί πλήρως.

Το γεγονός ότι διαφορετικά μέταλλα αντιδρούν με εντυπωσιακά διαφορετικούς τρόπους στην κατεργασία με υπερήχους μπορεί να αξιοποιηθεί για καινοτομίες στην επιστήμη των υλικών. Με αυτόν τον τρόπο, τα κράματα μπορούν να μετατραπούν σε νανοσύνθετα υλικά στα οποία σωματίδια του πιο σταθερού υλικού περικλείονται σε μια πορώδη μήτρα του λιγότερο σταθερού μετάλλου. Έτσι δημιουργούνται πολύ μεγάλες επιφάνειες σε πολύ περιορισμένο χώρο, γεγονός που επιτρέπει τη χρήση αυτών των νανοσύνθετων υλικών ως καταλυτών. Αυτά επιφέρουν ιδιαίτερα γρήγορες και αποδοτικές χημικές αντιδράσεις.

Μαζί με τη Δρ. Daria Andreeva, στα ερευνητικά αποτελέσματα συνέβαλαν οι ερευνητές Καθ. Δρ. Andreas Fery, Δρ. Nicolas Pazos-Perez και Jana Schäferhans, επίσης από το Τμήμα Φυσικοχημείας II. Μαζί με τους συνεργάτες τους στο Ινστιτούτο Κολλοειδών και Διεπιφανειών Max Planck στο Golm, στο Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH και στο Κρατικό Πανεπιστήμιο της Λευκορωσίας στο Μινσκ, δημοσίευσαν τα πιο πρόσφατα αποτελέσματά τους διαδικτυακά στο περιοδικό «Nanoscale».