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Nano-Estructuración Ultrasónica para la Producción de Metales Porosos

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 rentable asistido por ultrasonidos para producir metales mesoporosos.

Los metales porosos despiertan el interés de múltiples ramas tecnológicas debido a sus extraordinarias características, como su resistencia a la corrosión, su solidez mecánica y su capacidad para soportar temperaturas extremadamente altas. Estas propiedades se basan en superficies nanoestructuradas con poros de unos pocos nanómetros de diámetro. Los materiales mesoporosos se caracterizan por poseer tamaños de entre 2 y 50 nm, mientras que los microporosos tienen un tamaño de poro inferior a 2nm. Un equipo internacional de investigadores, entre los que se encuentra la Dra. Daria Andreeva, de la Universidad de Bayreuth (Departamento de Química Física II), ha desarrollado con éxito un procedimiento de ultrasonidos muy eficaz y rentable para el diseño y la producción de este tipo de estructuras metálicas.

En este proceso, los metales se tratan en una solución acuosa de tal manera que evolucionan cavidades de unos pocos nanómetros, en huecos definidos con precisión. Para estas estructuras a medida ya existe un amplio espectro de aplicaciones innovadoras, como la limpieza del aire, el almacenamiento de energía o la tecnología médica. Especialmente prometedor es el uso de metales porosos en nanocomposites. Se trata de una nueva clase de materiales compuestos en los que una estructura matricial muy fina se rellena con partículas de hasta 20 nanómetros.

El UIP1000hd es un potente dispositivo ultrasónico que se utiliza para la ingeniería de materiales, la nanoestructuración y la modificación de partículas. (¡Haga clic para ampliar!)

La Dra. D. Andreeva demuestra el procedimiento de sonicación de partículas sólidas en una suspensión acuosa utilizando el UIP1000hd ultrasonidos (20 kHz, 1000 W). Fotografía de Ch. Wißler

La nueva técnica utiliza un proceso de formación de burbujas generadas por ultrasonidos, que en física se denomina cavitación (derivado del lat. “cavus” = “hueco”). En la navegación marítima, este proceso es temido por los grandes daños que puede causar a las hélices y turbinas de los barcos. En efecto, a velocidades de rotación muy elevadas, se forman burbujas de vapor bajo el agua. Tras un breve periodo bajo una presión extremadamente alta, las burbujas se colapsan hacia el interior, deformando así las superficies metálicas. El proceso de cavitación también puede generarse mediante ultrasonidos. Los ultrasonidos se componen de ondas de compresión con frecuencias superiores a la gama audible (20 kHz) y generan burbujas de vacío en agua y soluciones acuosas. Cuando estas burbujas implosionan, se producen temperaturas de varios miles de grados centígrados y presiones extremadamente altas, de hasta 1.000 bares.

El dispositivo ultrasónico UIP1000hd se ha utilizado para la nanoestructuración de metales altamente porosos. (¡Haga clic para ampliar!)

Presentación esquemática de los efectos de la cavitación acústica en la modificación de partículas metálicas.
Fotografía de la Dra. D. Andreeva

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

Un control preciso de este proceso puede conducir a una nanoestructuración selectiva de metales suspendidos en una solución acuosa, dadas ciertas características físicas y químicas de los metales. Y es que los metales reaccionan de forma muy diferente cuando se exponen a este tipo de sonicación, como ha demostrado la Dra. Daria Andreeva junto con sus colegas de Golm, Berlín y Minsk. En los metales muy reactivos, como el zinc, el aluminio y el magnesio, se forma gradualmente una estructura matricial estabilizada por una capa de óxido. El resultado son metales porosos que, por ejemplo, pueden transformarse en materiales compuestos. Sin embargo, los metales nobles como el oro, el platino, la plata y el paladio tienen un comportamiento diferente. Debido a su baja tendencia a la oxidación, resisten el tratamiento con ultrasonidos y conservan sus estructuras y propiedades iniciales.

Por sonicación, se puede formar un revestimiento de polielectrolito que protege contra la corrosión. (¡Haga clic para ampliar!)

Protección ultrasónica de aleaciones de aluminio contra la corrosión. [© Skorb et al. 2011]

La imagen de arriba muestra que los ultrasonidos también pueden utilizarse para proteger las aleaciones de aluminio contra la corrosión. A la izquierda: La foto de una aleación de aluminio en una solución altamente corrosiva, debajo una imagen electomicroscópica de la superficie, en la que -debido a la sonicación- se ha formado un recubrimiento de polielectolito. Este revestimiento ofrece una protección contra la corrosión durante 21 días. A la derecha: La misma aleación de aluminio sin haber sido expuesta a la sonicación. La superficie está completamente corroída.

El hecho de que distintos metales reaccionen de forma radicalmente distinta a la sonicación puede aprovecharse para introducir innovaciones en la ciencia de los materiales. Las aleaciones pueden convertirse así en nanocompuestos en los que partículas del material más estable se encajan en una matriz porosa del metal menos estable. Así surgen superficies muy grandes en un espacio muy limitado, lo que permite utilizar estos nanocompuestos como catalizadores. Sus reacciones químicas son especialmente rápidas y eficaces.

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

El ultrasonicador UIP1000hd de Hielscher se utilizó con éxito para la formación de metales mesoporosos. (¡Haga clic para ampliar!)

procesador ultrasónico UIP1000hd para la nanoestructuración de metales

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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. Nanoscale – Avance primero 3/3, 2011. 985-993.
  • Wißler, Christian (2011): Nanoestructuración de alta precisión mediante ultrasonidos: nuevo procedimiento para producir metales porosos. Blick in die Forschung. Mitteilungen der Universität Bayreuth 05, 2011.

Para más información científica, póngase en contacto con Dra. 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.

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