Nanoestructuración ultrasónica para producir metales porosos

La sonoquímica es una herramienta muy eficaz para la ingeniería y funcionalización de nanomateriales. En metalurgia, la irradiación ultrasónica favorece la formación de metales porosos. El grupo de investigación de la Dra. Daria Andreeva desarrolló un procedimiento eficaz y económico asistido por ultrasonidos para producir metales mesoporosos.

Los metales porosos suscitan un gran interés en numerosas ramas tecnológicas por sus características excepcionales, como su resistencia a la corrosión, su resistencia mecánica y su capacidad para soportar temperaturas extremadamente altas. Estas propiedades se basan en superficies nanoestructuradas con poros de apenas unos nanómetros de diámetro. Los materiales mesoporosos se caracterizan por tamaños de poro de entre 2 y 50 nm, mientras que los materiales microporosos tienen un tamaño de poro inferior a 2 nm. Un equipo internacional de investigación, del que forma parte la Dra. Daria Andreeva de la Universidad de Bayreuth (Departamento de Química Física II), ha desarrollado con éxito un procedimiento ultrasónico de alto rendimiento y económico para el diseño y la producción de estas estructuras metálicas.

En este proceso, los metales se tratan en una solución acuosa de manera que se forman cavidades de unos pocos nanómetros, con separaciones definidas con precisión. Para estas estructuras diseñadas a medida ya existe un amplio abanico de aplicaciones innovadoras, entre ellas la depuración del aire, el almacenamiento de energía o la tecnología médica. Resulta especialmente prometedor el uso de metales porosos en nanocompuestos. Estos constituyen una nueva clase de materiales compuestos, en los que una estructura matricial muy fina se rellena con partículas de tamaños de hasta 20 nanómetros.

La nueva técnica utiliza un proceso de formación de burbujas generadas por ultrasonidos, que en física se denomina cavitación (del latín «cavus» = «hueco»). En la navegación, este proceso es temido por los graves daños que puede causar en las hélices de los barcos y las turbinas. A velocidades de rotación muy altas se forman burbujas de vapor bajo el agua. Tras un breve periodo sometidas a una presión extremadamente alta, las burbujas colapsan hacia dentro, deformando así las superficies metálicas. El proceso de cavitación también puede generarse mediante ultrasonidos. Los ultrasonidos están compuestos por ondas de compresión con frecuencias superiores al rango audible (20 kHz) y generan burbujas de vacío en el agua y en soluciones acuosas. Cuando estas burbujas implosionan, se producen temperaturas de varios miles de grados centígrados y presiones extremadamente altas de hasta 1000 bar.

El esquema anterior muestra los efectos de la cavitación acústica sobre la modificación de partículas metálicas. Los metales con un punto de fusión (MP) bajo, como el zinc (Zn), se oxidan por completo; los metales con un punto de fusión alto, como el níquel (Ni) y el titanio (Ti), presentan modificaciones superficiales durante la sonicación. El aluminio (Al) y el magnesio (Mg) forman estructuras mesoporosas. Los metales nobles son resistentes a la irradiación ultrasónica debido a su estabilidad frente a la oxidación. Los puntos de fusión de los metales se indican en grados Kelvin (K).

Un control preciso de este proceso puede permitir una nanoestructuración dirigida de los metales suspendidos en una solución acuosa – siempre que los metales presenten determinadas características físicas y químicas. Los metales reaccionan de formas muy distintas al exponerse a este tipo de sonicación, como han demostrado la Dra. Daria Andreeva y sus colegas de Golm, Berlín y Minsk. En los metales de alta reactividad, como el zinc, el aluminio y el magnesio, se forma gradualmente una estructura matricial estabilizada por un recubrimiento de óxido. Esto da lugar a metales porosos que, por ejemplo, pueden procesarse posteriormente para obtener materiales compuestos. Sin embargo, los metales nobles, como el oro, el platino, la plata y el paladio, se comportan de manera diferente. Debido a su baja tendencia a oxidarse, resisten el tratamiento ultrasónico y conservan sus estructuras y propiedades iniciales.

La imagen anterior muestra que los ultrasonidos también pueden utilizarse para proteger las aleaciones de aluminio contra la corrosión. A la izquierda: fotografía de una aleación de aluminio en una solución altamente corrosiva y, debajo, una imagen de microscopía electrónica de la superficie, sobre la que – debido a la sonicación – se ha formado un recubrimiento de polielectrolito. Este recubrimiento ofrece protección contra la corrosión durante 21 días. A la derecha: la misma aleación de aluminio sin haber sido sometida a sonicación. La superficie está completamente corroída.

El hecho de que los distintos metales reaccionen de formas radicalmente diferentes a la sonicación puede aprovecharse para desarrollar innovaciones en la ciencia de materiales. De este modo, las aleaciones pueden convertirse en nanocompuestos en los que las partículas del material más estable quedan encapsuladas en una matriz porosa del metal menos estable. Así se generan superficies muy extensas en un espacio muy reducido, lo que permite utilizar estos nanocompuestos como catalizadores. Estos propician reacciones químicas especialmente rápidas y eficientes.

Junto con la Dra. Daria Andreeva, los investigadores Prof. Dr. Andreas Fery, Dr. Nicolas Pazos-Perez y Jana Schäferhans, también del Departamento de Química Física II, contribuyeron a los resultados de la investigación. Junto con sus colegas del Instituto Max Planck de Coloides e Interfaces de Golm, del Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH y de la Universidad Estatal de Bielorrusia en Minsk, han publicado sus últimos resultados en línea en la revista «Nanoscale».