Ultraheli nano-struktureerimine poorsete metallide tootmiseks
Sonochemistry on väga tõhus vahend nanomaterjalide projekteerimiseks ja funktsionaliseerimiseks. Metallurgias soodustab ultraheli kiiritamine poorsete metallide moodustumist. Dr Daria Andreeva uurimisrühm töötas välja tõhusa ja kulutõhusa ultraheli abil protseduuri mesopoorsete metallide tootmiseks.
Poorsed metallid äratavad suurt huvi mitmesuguste tehnoloogiliste harude vastu tänu oma silmapaistvatele omadustele, nagu korrosioonikindlus, mehaaniline tugevus ja võime taluda äärmiselt kõrgeid temperatuure. Need omadused põhinevad nanostruktuursetel pindadel, mille pooride läbimõõt on vaid mõni nanomeeter. Mesopoorsetele materjalidele on iseloomulikud pooside suurused vahemikus 2 kuni 50 nm, samas kui mikropoorse materjali pooride suurus on alla 2nm. Rahvusvaheline uurimisrühm, kuhu kuulub dr Daria Andreeva Bayreuthi ülikoolist (füüsikalise keemia osakond II), on edukalt välja töötanud raskeveokite ja kulutõhusate ultraheliprotseduuride selliste metallkonstruktsioonide projekteerimiseks ja tootmiseks.
Selles protsessis töödeldakse metalle vesilahuses nii, et arenevad mõne nanomeetri suurused õõnsused täpselt määratletud lünkades. Nende kohandatud struktuuride jaoks on juba olemas lai valik uuenduslikke rakendusi, sealhulgas õhupuhastus, energia salvestamine või meditsiinitehnoloogia. Eriti paljutõotav on poorsete metallide kasutamine nanokomposiitides. Need on uus komposiitmaterjalide klass, milles väga peen maatriksstruktuur on täidetud kuni 20 nanomeetri suuruste osakestega.

Dr D. Andreeva demonstreerib tahkete osakeste ultrahelitöötluse protseduuri vesisuspensioonis, kasutades UIP1000hd ultrasonikaator (20 kHz, 1000W). Pildi autor: Ch. Wißler

Akustilise kavitatsiooni mõju skemaatiline esitus metalliosakeste modifitseerimisele.
Pildi autor: Dr. D. Andreeva
Ülaltoodud skeem näitab akustilise kavitatsiooni mõju metalliosakeste modifitseerimisele. Madala sulamistemperatuuriga metallid tsingina (Zn) oksüdeeruvad täielikult; kõrge sulamistemperatuuriga metallid, nagu nikkel (Ni) ja titaan (Ti), avaldavad ultrahelitöötluse ajal pinna modifitseerimist. Alumiinium (Al) ja magneesium (Mg) moodustavad mesopoorseid struktuure. Nobeli metallid on vastupidavad ultraheli kiiritusele, kuna need on oksüdatsiooni vastu. Metallide sulamistemperatuurid on määratletud Kelvini kraadides (K).

ultraheli kavitatsioon vedelikus
Ülaltoodud pilt näitab, et ultraheli saab kasutada ka alumiiniumisulamite kaitsmiseks korrosiooni eest. Vasakul: Foto alumiiniumisulamist väga söövitavas lahuses, pinna elektroomikroskoopilise kujutise all, millele - ultrahelitöötluse tõttu - on moodustunud polüelektorolüütkate. See kate pakub kaitset korrosiooni eest 21 päeva jooksul. Paremal: Sama alumiiniumisulam, ilma et oleks kokku puutunud ultrahelitöötlusega. Pind on täielikult korrodeerunud.
Asjaolu, et erinevad metallid reageerivad ultrahelitöötlusele dramaatiliselt erinevalt, saab kasutada materjaliteaduse uuendusteks. Sulameid saab muundada sellisel viisil nanokomposiitideks, milles stabiilsema materjali osakesed on ümbritsetud vähem stabiilse metalli poorsesse maatriksisse. Seega tekivad väga piiratud ruumis väga suured pinnad, mis võimaldavad neid nanokomposiite kasutada katalüsaatoritena. Need mõjutavad eriti kiireid ja tõhusaid keemilisi reaktsioone.
Koos dr Daria Andreevaga andsid uurimistulemustele oma panuse teadlased prof dr Andreas Fery, dr Nicolas Pazos-Perez ja Jana Schäferhans, samuti füüsikalise keemia II osakonnast. Koos kolleegidega Max Plancki kolloidide ja liideste instituudist Golmis, Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH-st ja Valgevene Riiklikust Ülikoolist Minskis on nad avaldanud oma viimased tulemused veebis ajakirjas “Nanoskaala”.

ultraheli protsessor UIP1000hd metallide nanostruktuuri jaoks
Viide:
- Skorb, Jekaterina V.; Fix, Dimitri; Shchukin, Dmitri G.; Möhwald, Helmuth; Sviridov, Dmitri V.; Mousa, Rami; Wanderka, Nelia; Schäferhans, Jana; Pazos-Perez, Nicolas ; Fery, Andreas; Andreeva, Daria V. (2011): Metallist käsnade sonokeemiline moodustumine. Nanoskaala – Edasi esimene 3/3, 2011. 985-993.
- Wißler, Christian (2011): Ülitäpne nanostruktureerimine ultraheli abil: uus protseduur poorsete metallide tootmiseks. Blick in die Forschung. Mitteilungen der Universität Bayreuth 05, 2011.
Täiendava teadusliku teabe saamiseks võtke palun ühendust: Dr. Daria Andreeva, Füüsikalise keemia osakond II Bayreuthi Ülikool, 95440 Bayreuth, Saksamaa – telefon: +49 (0) 921 / 55-2750
e-post: daria.andreeva@uni-bayreuth.de
Faktid, mida tasub teada
Ultraheli koe homogenisaatoreid nimetatakse sageli sondi sonikaatoriks, sonic lyseriks, ultraheli katkestajaks, ultraheli veskiks, sono-ruptoriks, sonifieriks, sonic dismembratoriks, raku katkestajaks, ultraheli dispergeerijaks või lahustajaks. Erinevad terminid tulenevad erinevatest rakendustest, mida saab ultrahelitöötlusega täita.
- Segamine
- Emulgeerimine
- Hajutamine
- deagglomeratsioon
- Märgjahvatus
- Degaseerimine
- lahustamine
- Kaevandamine
- Kudede homogeniseerimine
- Sono-killustatus
- käärimine
- Puhastamine
- Sono-süntees
- Sono-katalüüs
- Sademed
- Sono-leostumine
- Lagunemise