Ultraheliga nanostruktureerimine poorsete metallide tootmiseks

Sonokeemia on väga tõhus vahend nanomaterjalide projekteerimiseks ja funktsionaliseerimiseks. Metallurgias soodustab ultraheliga kiiritamine poorsete metallide teket. Dr Daria Andreeva uurimisrühm töötas välja tõhusa ja kuluefektiivse ultraheliga toetatud meetodi mesopoorsete metallide tootmiseks.

Poorsed metallid pakuvad suurt huvi paljudele tehnoloogiaharudele tänu oma silmapaistvatele omadustele, nagu korrosioonikindlus, mehaaniline tugevus ja võime taluda erakordselt kõrgeid temperatuure. Need omadused põhinevad nanostruktuursetel pindadel, mille poorid on vaid mõne nanomeetri läbimõõduga. Mesopoorseid materjale iseloomustavad poorisuurused vahemikus 2 kuni 50 nm, mikropoorsetel materjalidel on aga poori suurus alla 2 nm. Rahvusvaheline uurimisrühm, kuhu kuulub ka dr Daria Andreeva Bayreuthi Ülikoolist (füüsikalise keemia osakond II), on edukalt välja töötanud vastupidava ja kuluefektiivse ultraheli meetodi selliste metalliliste struktuuride kavandamiseks ja tootmiseks.

Selles protsessis töödeldakse metalle vesilahuses nii, et täpselt määratletud vahedes tekivad mõne nanomeetri suurused õõnsused. Nendele kohandatud struktuuridele on juba olemas lai valik uuenduslikke rakendusi, sealhulgas õhupuhastus, energia salvestamine või meditsiinitehnoloogia. Eriti paljutõotav on poorsete metallide kasutamine nanokompositides. Need on uus komposiitmaterjalide klass, milles väga peen maatriksstruktuur on täidetud osakestega, mille suurus ulatub kuni 20 nanomeetrini.

Uus meetod kasutab ultraheli abil tekitatud mullide moodustumise protsessi, mida füüsikas nimetatakse kavitatsiooniks (tuletatud ladina sõnast „cavus“ = „õõnes“). Meresõidus kardetakse seda protsessi, kuna see võib laevapropelleritele ja turbiinidele tekitada suurt kahju. Nimelt tekivad väga suurtel pöörlemiskiirustel vee all aurumullid. Pärast lühikest aega äärmiselt kõrge rõhu all mullid kokku varisevad sissepoole, deformeerides sellega metallpindu. Kavitatsiooni saab tekitada ka ultraheli abil. Ultraheli koosneb kuuldavast vahemikust (20 kHz) kõrgematest sagedustest kokkusurumislainetest ning tekitab vees ja vesilahustes vaakumimulle. Nende mullide implodeerumisel tekivad mitme tuhande kraadi Celsiuse järgi temperatuurid ja äärmiselt kõrge, kuni 1000 bar rõhk.

Ülaltoodud skeem näitab akustilise kavitatsiooni mõjusid metalliosakeste modifitseerimisele. Madala sulamistemperatuuriga (MP) metallid, nagu tsink (Zn), oksüdeeruvad täielikult; kõrge sulamistemperatuuriga metallid, nagu nikkel (Ni) ja titaan (Ti), näitavad ultraheli töötluse (sonikeerimise) käigus pinna modifitseerumist. Alumiinium (Al) ja magneesium (Mg) moodustavad mesopoorseid struktuure. Väärismetallid on oksüdeerumisvastase püsivuse tõttu ultrahelikiiritusele vastupidavad. Metallide sulamistemperatuurid on esitatud Kelvini kraadides (K).

Selle protsessi täpne juhtimine võib viia vesilahuses suspendeeritud metallide sihipärase nanostruktureerimiseni – arvestades metallide teatud füüsikalisi ja keemilisi omadusi. Metallid reageerivad sellisele ultraheli töötlusele (sonikeerimisele) nimelt väga erinevalt, nagu on näidanud dr Daria Andreeva koos oma kolleegidega Golmis, Berliinis ja Minskis. Suure reaktsioonivõimega metallides, nagu tsink, alumiinium ja magneesium, moodustub järk-järgult maatriksstruktuur, mida stabiliseerib oksiidkate. Tulemuseks on poorsed metallid, mida saab näiteks edasi töödelda komposiitmaterjalides. Väärismetallid, nagu kuld, plaatina, hõbe ja pallaadium, käituvad aga teisiti. Oma madala oksüdeerumisalduvuse tõttu peavad nad ultraheli töötlusele vastu ning säilitavad oma algsed struktuurid ja omadused.

Ülaltoodud pilt näitab, et ultraheli abil saab kaitsta ka alumiiniumisulameid korrosiooni eest. Vasakul: foto alumiiniumisulamist väga korrosiivses lahuses, all pinna elektronmikroskoopiline kujutis, millele on ultraheli töötluse (sonikeerimise) tulemusel tekkinud polüelektrolüütne kate. See kate pakub korrosioonikaitset 21 päeva jooksul. Paremal: sama alumiiniumisulam, mida ei ole ultraheli töötlusele (sonikeerimisele) allutatud. Pind on täielikult korrodeerunud.

Asjaolu, et erinevad metallid reageerivad ultraheli töötlusele (sonikeerimisele) dramaatiliselt erineval viisil, saab ära kasutada materjaliteaduse uuenduste jaoks. Sulameid saab sel viisil muuta nanokompositideks, milles stabiilsema materjali osakesed on kapseldatud vähem stabiilse metalli poorsesse maatriksi. Seeläbi tekivad väga piiratud ruumis väga suured pindalad, mis võimaldavad kasutada neid nanokomposiite katalüsaatoritena. Need põhjustavad eriti kiireid ja tõhusaid keemilisi reaktsioone.

Koos dr Daria Andreevaga aitasid uurimistulemustele kaasa teadlased prof dr Andreas Fery, dr Nicolas Pazos-Perez ja Jana Schäferhans, samuti füüsikalise keemia osakonnast II. Koos kolleegidega Max Plancki Kolloidide ja Piirpindade Instituudist Golmis, Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH-st ning Valgevene Riiklikust Ülikoolist Minskis on nad avaldanud oma uusimad tulemused veebis ajakirjas „Nanoscale“.