Nano-Estructuración Ultrasónica para la Producción de Metales Porosos

Sonoquímica es una herramienta muy efectiva para la ingeniería y la funcionalización de nanomateriales. En metalurgia, la irradiación ultrasónica promueve la formación de metales porosos. El grupo de investigación de la Dra. Daria Andreeva desarrolló un procedimiento asistido por ultrasonido eficaz y rentable para producir metales mesoporosos.

Los metales porosos atraen un gran interés de múltiples ramas tecnológicas debido a sus características sobresalientes, como su resistencia a la corrosión, resistencia mecánica y la capacidad de soportar temperaturas excesivamente altas. Estas propiedades se basan en las superficies nanoestructuradas con poros que miden solo unos pocos nanómetros de diámetro. Los materiales mesoporosos se caracterizan por tamaños de postura de entre 2 y 50 nm, mientras que el material microporoso tiene un tamaño de poro de menos de 2 nm. Un equipo de investigación internacional que incluye a la Dra. Daria Andreeva de la Universidad de Bayreuth (Departamento de Química Física II) ha desarrollado con éxito un procedimiento de ultrasonido de alta resistencia y económico para el diseño y la producción de tales estructuras metálicas.

En este proceso, los metales se tratan en una solución acuosa de tal manera que las cavidades de unos pocos nanómetros evolucionan, en huecos definidos con precisión. Por estas estructuras hechas a la medida, ya existe un amplio espectro de aplicaciones innovadoras, incluyendo la limpieza del aire, almacenamiento de energía o la tecnología médica. Particularmente prometedora es la utilización de metales porosos en nanocompuestos. Estos son una nueva clase de materiales compuestos, en el que una estructura de matriz muy fina se llena con partículas que varían en tamaño de hasta 20 nanómetros.

El UIP1000hd es un dispositivo de ultrasonidos de gran alcance, que se utiliza para la ingeniería de materiales, estructuración nano y modificación de las partículas. (¡Click para agrandar!)

Dr. D. Andreeva demuestra el procedimiento de sonicación de partículas sólidas en una suspensión acuosa mediante el uso de la UIP1000hd ultrasonicador (20 kHz, 1000W). Imagen por Ch. Wissler

La nueva técnica utiliza un proceso de formación de burbuja generada por ultrasonidos, que se denomina cavitación en la física (derivado de lat. “cavo” = “hueco”). En marinera, este proceso se teme debido al gran daño que puede causar a hélices de los barcos y turbinas. Para a velocidades de rotación muy altas, las burbujas de vapor se forman bajo el agua. Después de un corto período en una presión extremadamente alta que las burbujas se colapsan hacia el interior, deformando de este modo las superficies metálicas. El proceso de cavitación También se pueden generar mediante ultrasonidos. El ultrasonido se compone de ondas de compresión con frecuencias por encima de la gama audible (20 kHz) y genera burbujas de vacío en agua y soluciones acuosas. Las temperaturas de varios miles de grados centígrados y presiones extremadamente altas de hasta 1000 bar surgen cuando estas burbujas implosionan.

El UIP1000hd dispositivo de ultrasonidos se ha usado para la nanoestructuración de metales altamente porosos. (¡Click para agrandar!)

Presentación esquemática de los efectos de cavitación acústica en la modificación de las partículas de metal.
Foto por el Dr. D. Andreeva

El esquema anterior muestra los efectos de la cavitación acústica en la modificación de partículas metálicas. Los metales con un punto de fusión bajo (MP) como zinc (Zn) están completamente oxidados; metales con un alto punto de fusión como níquel (Ni) y titanio (Ti) exhiben modificación de la superficie bajo sonicación. El aluminio (Al) y el magnesio (Mg) forman estructuras mesoporosas. Los metales Nobel son resistentes a la irradiación de ultrasonidos debido a su estabilidad frente a la oxidación. Los puntos de fusión de los metales están especificados en grados Kelvin (K).

Un control preciso de este proceso puede conducir a una nanoestructuración dirigida de metales suspendidos en una solución acuosa, dadas ciertas características físicas y químicas de los metales. Los metales reaccionan de forma muy diferente cuando se exponen a dicha sonicación, como ha demostrado la Dra. Daria Andreeva junto con sus colegas en Golm, Berlín y Minsk. En metales con alta reactividad como zinc, aluminio y magnesio, se forma gradualmente una estructura de matriz, estabilizada por un revestimiento de óxido. Esto da como resultado metales porosos que, por ejemplo, pueden procesarse adicionalmente en 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 la oxidación, resisten el tratamiento con ultrasonido y conservan sus estructuras y propiedades iniciales.

Por sonicación, un recubrimiento de polielectrolito puede ser formado que protege contra la corrosión. (¡Click para agrandar!)

protección ultrasónico de aleaciones de aluminio contra la corrosión. [© Skorb et al. 2011]

La imagen de arriba muestra que el ultrasonido también se puede utilizar para la protección de aleaciones de aluminio contra la corrosión. A la izquierda: La foto de una aleación de aluminio en una solución altamente corrosivo, por debajo de una imagen electomicroscopic de la superficie, en la que - debido a sonicación - se ha formado un recubrimiento polyelectolyte. Este revestimiento ofrece una protección contra la corrosión durante 21 días. A la derecha: La misma aleación de aluminio sin haber sido expuestos a tratamiento con ultrasonidos. La superficie está completamente corroído.

El hecho de que diferentes metales reaccionen de maneras dramáticamente diferentes a la sonicación puede aprovecharse para innovaciones en la ciencia de los materiales. Las aleaciones se pueden convertir de tal manera en nanocompuestos en los que las partículas del material más estable se recubren en una matriz porosa del metal menos estable. De este modo, surgen superficies muy grandes en un espacio muy limitado, lo que permite que estos nanocompuestos se utilicen como catalizadores. Efectúan reacciones químicas particularmente rápidas y eficientes.

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

Hielscher's ultrasonicator UIP1000hd was successfully used for the formation of mesoporous metals. (Click to enlarge!)

Procesador de ultrasonidos UIP1000hd para Nano-Estructuración de Metales

¡Contacte con nosotros y solicítenos más información!

Infórmenos sobre los requerimientos de su proceso. Le recomendaremos tanto el equipo como los parámetros de funcionamiento más adecuados para su proyecto.





Por favor, tenga en cuenta Política de privacidad.


Referencia:

  • Skorb, Ekaterina V.; Fix, Dimitri; Shchukin, Dmitry G.; Möhwald, Helmuth; Sviridov, Dmitry V.; Mousa, Rami; Wanderka, Nelia; Schäferhans, Jana; Pazos-Perez, Nicolas; Fery, Andreas; Andreeva, Daria V. (2011): formación sonoquímica de esponjas metálicas. nanoescala – Avanzar primero 3/3, 2011. 985-993.
  • Wissler, Christian (2011): nanoestructuración de alta precisión usando ultrasonido: nuevo procedimiento para producir metales porosos. Mira la investigación. Comunicaciones de la Universidad de Bayreuth 05. 2011

Para más información científica, póngase en contacto con: Dr. Daria Andreeva, Departamento de Química Física II Universidad de Bayreuth, 95440 Bayreuth, Alemania – teléfono: +49 (0) 921 / 55-2750
correo electrónico: daria.andreeva@uni-bayreuth.de



Información interesante

A los homogeneizadores ultrasónicos también se los denomina frecuentemente como sonicador de sonda, sonolisador, fraccionador por ultrasonidos, pulverizador ultrasónico, sonoruptor, sonificador, disgregador ultrasónico, fraccionador celular, dispersor ultrasónico o mezclador por ultrasonidos. Estos términos provienen de las distintas aplicaciones que se pueden llevar a cabo por sonicación.