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.

Uus tehnika kasutab ultraheli genereeritud mullide moodustumise protsessi, mida nimetatakse füüsikas kavitatsiooniks (tuletatud lat. “Cavus” = “õõnes”). Meresõidus kardetakse seda protsessi suure kahju tõttu, mida see võib põhjustada laevade sõukruvidele ja turbiinidele. Väga suurte pöörlemiskiiruste korral moodustuvad vee all aurumullid. Pärast lühikest aega äärmiselt kõrge rõhu all varisevad mullid sissepoole, deformeerides seega metallpindu. Protsess Kavitatsioon saab genereerida ka ultraheli abil. Ultraheli koosneb survelainetest, mille sagedused ületavad helivahemikku (20 kHz) ja tekitavad vaakummulle vees ja vesilahustes. Nende mullide implodeerimisel tekivad mitme tuhande kraadi kraadised temperatuurid ja äärmiselt kõrge rõhk kuni 1000 baari.

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).

Selle protsessi täpne kontroll võib viia vesilahuses suspendeeritud metallide sihipärase nanostruktuurini, võttes arvesse metallide teatavaid füüsikalisi ja keemilisi omadusi. Metallide puhul reageerivad sellise ultrahelitöötlusega kokkupuutel väga erinevalt, nagu on näidanud dr Daria Andreeva koos oma kolleegidega Golmis, Berliinis ja Minskis. Kõrge reaktsioonivõimega metallides, nagu tsink, alumiinium ja magneesium, moodustub järk-järgult maatriksstruktuur, mis stabiliseeritakse oksiidkattega. Selle tulemuseks on poorsed metallid, mida saab edasi töödelda näiteks komposiitmaterjalides. Väärismetallid nagu kuld, plaatina, hõbe ja pallaadium käituvad aga erinevalt. Madala oksüdatsioonikalduvuse tõttu seisavad nad vastu ultraheliravile ja säilitavad oma esialgsed struktuurid ja omadused.

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”.