Ultraheli nano-struktureerimine porose metallide tootmiseks

Sonokheemia on väga tõhus vahend nanomaterjalide projekteerimiseks ja funktsionaliseerimiseks. Metallurgias soodustab ultraheli kiirgus poorlike metallide moodustumist. Dr Daria Andreeva uurimisgrupp töötas välja mesopoorsete metallide tootmiseks efektiivse ja kulutõhusa ultraheli abil.
Poraarsed metallid aitavad kaasa mitmekülgsete tehnoloogiliste kihtide suurele huvile nende suurepäraste omaduste tõttu, nagu nende korrosioonikindlus, mehaaniline tugevus ja suutlikkus taluda väga kõrgeid temperatuure. Need omadused põhinevad nanoosakestega pindadel, mille poorid on läbimõõduga vaid mõned nanomeetrid. Mesopoorseid materjale iseloomustab suurusega vahemikus 2 kuni 50 nm, samal ajal kui mikroporaalse materjali pooride suurus on väiksem kui 2 nm. Rahvusvaheline uurimisrühm, sealhulgas Dr. Daria Andreeva Bayreuthi ülikoolist (füüsikalise keemia õppetool II), on edukalt välja töötanud raskete ja kulutõhusate ultraheliuuringute selliste metallkonstruktsioonide projekteerimiseks ja tootmiseks.

Selles protsessis töödeldakse metalli vesilahuses selliselt, et teatud nanomeetrite õõnsused arenevad täpselt kindlaksmääratud lünkadesse. Nende kohandatud struktuuride jaoks on juba olemas laiaulatuslik uuenduslike rakenduste hulk, sealhulgas õhupuhastus, energia salvestamine või meditsiinitehnika. Eriti paljulubav on poorsete metallide kasutamine nanokomposiidides. Need on uued komposiitmaterjalide klassid, milles väga peene maatriksistruktuur täidetakse osakeste suurusega kuni 20 nanomeetrit.

Uus tehnoloogia kasutab ultraheliga genereeritud mullide moodustamise protsessi, mida nimetatakse füüsikalisest kavitatsiooniks (tuletatud lat. “cavus” = “õõnes”) Meresõidu ajal kardetakse seda protsessi, sest see võib põhjustada suurt kahju, mis võib põhjustada propellerite ja turbiinide laeva. Sest väga suurel pöörlemiskiirusel moodustavad auru mullid vee all. Pärast lühikest perioodi äärmiselt kõrge rõhu all mullid kollagevad sissepoole, seega deformeeruvad metallpinnad. Protsessi kavitatsioon saab luua ka ultraheliga. Ultraheli moodustavad tihenduslained, mille sagedus ületab helisignaali (20 kHz) ja tekitab vaakummullid vees ja vesilahustes. Mitu tuhat kraadi ja väga kõrge rõhu temperatuur kuni 1000 baari tekib siis, kui need mullid langevad.

Eespool toodud skeem näitab akustilise kavitatsiooni mõju metallosakeste muutmisele. Madala sulamistemperatuuriga metallid (MP) tsinkina (Zn) on täiesti oksüdeeritud; Kõrge sulamistemperatuuriga metallid nagu nikkel (Ni) ja titaan (Ti) näitavad pinna modifitseerimist ultraheliga töötlemisel. Alumiinium (Al) ja magneesium (Mg) moodustavad mesopoorseid struktuure. Nobeli metallid on vastupidavad ultraheli kiirgusele nende oksüdatsiooni stabiilsuse tõttu. Metallide sulamistemperatuurid on määratletud Kelvin (K) kraadides.

Selle protsessi täpne juhtimine võib viia vesilahuses suspendeeritud metallide sihitud nanostruktureerimiseni, võttes arvesse metallide teatud füüsikalisi ja keemilisi omadusi. Metallid reageerivad ultraheliga kokkupuutel väga erinevalt, nagu näitas dr Daria Andreeva koos kolleegidega Golmis, Berliinis ja Minskis. Kõrge reaktiivsusega metallides nagu tsink, alumiinium ja magneesium moodustub järk-järgult maatriksstruktuur, mida stabiliseerib oksiidkiht. Selle tulemuseks on poorsed metallid, mida saab näiteks komposiitmaterjalides edasi töödelda. Kuid väärismetallid nagu kuld, plaatina, hõbe ja pallaadium käituvad erinevalt. Oma vähese oksüdatsioonikõjumuse tõttu seisavad nad ultraheliravi vastu ning säilitavad oma esialgsed struktuurid ja omadused.

Ülaltoodud pilt näitab, et ultrahelit saab kasutada ka alumiiniumsulamite kaitsmiseks korrosiooni eest. Vasakul: alumiiniumsulamit sisaldav foto väga söövitavas lahuses, pinna ekomikroskoopiline pilt allpool, mille puhul ultraheliga töötlemise tulemusena on moodustatud polüelektoliitkiht. See kate kaitseb korrosiooni eest 21 päeva. Parempoolne: sama alumiiniumisulam ilma ultrahelitöötluseta. Pind on täielikult roostes.

Asjaolu, et erinevad metallid reageerivad dramaatiliselt teistsugustele ultrahelitöötlusviisidele, saab kasutada materjaliuuringute uuendamiseks. Sulamid saab muuta selliselt nanokomposiidideks, milles stabiilsema materjali osakesed on ümbritsetud vähem stabiilse metalli poorse maatriksiga. Nii tekivad väga suured pindalad väga piiratud ruumis, mis võimaldab neid nanokomposiite kasutada katalüsaatorina. Need mõjutavad eriti kiireid ja tõhusaid keemilisi reaktsioone.

Koos dr Daria Andreeva'ga aitasid teadustöö tulemused kaasa professorid dr. Andreas Fery, dr Nicolas Pazos-Perez ja füüsika keemia II osakonna Jana Schäferhans. Kolleegidega Max Plancki kolloidide ja liideste Golmi Instituudis, Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH ja Minskis Valgevene Riikliku Ülikooliga on nad avaldanud oma viimased tulemused veebiaadressil “Nanoskaala”.