نانوساختاردهی فراصوتی برای تولید فلزات متخلخل

سونوشیمی ابزاری بسیار مؤثر برای مهندسی و عامل‌دارسازی نانومواد است. در متالورژی، تابش فراصوت تشکیل فلزات متخلخل را تقویت می‌کند. گروه پژوهشی دکتر Daria Andreeva روشی مؤثر و مقرون‌به‌صرفه با کمک فراصوت برای تولید فلزات مزومتخلخل توسعه داده است.

فلزات متخلخل به‌دلیل ویژگی‌های برجسته‌ای مانند مقاومت در برابر خوردگی، استحکام مکانیکی و توانایی تحمل دماهای بسیار بالا، توجه فراوانی را در شاخه‌های گوناگون فناوری به خود جلب کرده‌اند. این خواص ناشی از سطوح نانوساختاری هستند که قطر حفره‌های آن‌ها تنها چند نانومتر است. مواد مزومتخلخل با اندازهٔ حفره‌های بین 2 تا 50 nm مشخص می‌شوند، درحالی‌که مواد میکرومتخلخل دارای اندازهٔ حفرهٔ کمتر از 2nm هستند. یک گروه پژوهشی بین‌المللی، با حضور دکتر Daria Andreeva از دانشگاه بایرویت (گروه شیمی فیزیک II)، با موفقیت روشی فراصوتی با قابلیت کار سنگین و مقرون‌به‌صرفه برای طراحی و تولید چنین ساختارهای فلزی توسعه داده است.

در این فرایند، فلزات در یک محلول آبی به‌گونه‌ای تیمار می‌شوند که حفره‌هایی در ابعاد چند نانومتر، با فاصله‌های دقیقاً تعیین‌شده، شکل می‌گیرند. هم‌اکنون طیف گسترده‌ای از کاربردهای نوآورانه برای این ساختارهای سفارشی وجود دارد، از جمله تصفیهٔ هوا، ذخیره‌سازی انرژی یا فناوری پزشکی. استفاده از فلزات متخلخل در نانوکامپوزیت‌ها به‌ویژه امیدبخش است. این‌ها دستهٔ جدیدی از مواد کامپوزیتی هستند که در آن‌ها یک ساختار زمینه‌ای بسیار ظریف با ذراتی به اندازهٔ حداکثر 20 نانومتر پر می‌شود.

روش جدید از فرایند تشکیل حباب بر اثر فراصوت استفاده می‌کند که در فیزیک کاویتاسیون نامیده می‌شود (برگرفته از واژهٔ لاتین «cavus» = «توخالی»). در دریانوردی، این فرایند به‌دلیل آسیب شدیدی که می‌تواند به پروانه‌های کشتی و توربین‌ها وارد کند، نگران‌کننده است؛ زیرا در سرعت‌های چرخش بسیار بالا، حباب‌های بخار در زیر آب تشکیل می‌شوند. پس از مدت کوتاهی در فشار بسیار بالا، حباب‌ها به سمت داخل فرومی‌پاشند و در نتیجه سطوح فلزی را تغییر شکل می‌دهند. فرایند کاویتاسیون را می‌توان با استفاده از فراصوت نیز ایجاد کرد. فراصوت از امواج تراکمی با فرکانس‌هایی بالاتر از محدودهٔ شنوایی (20 kHz) تشکیل شده است و در آب و محلول‌های آبی حباب‌های خلأ ایجاد می‌کند. هنگام فروپاشی این حباب‌ها به سمت داخل، دماهایی در حد چند هزار درجهٔ سانتی‌گراد و فشارهای بسیار بالا تا 1000 bar ایجاد می‌شوند.

طرح بالا اثرات کاویتاسیون آکوستیکی بر اصلاح ذرات فلزی را نشان می‌دهد. فلزات با نقطهٔ ذوب پایین (MP)، مانند روی (Zn)، کاملاً اکسید می‌شوند؛ فلزات با نقطهٔ ذوب بالا، مانند نیکل (Ni) و تیتانیوم (Ti)، تحت فراصوت‌دهی دچار اصلاح سطح می‌شوند. آلومینیوم (Al) و منیزیم (Mg) ساختارهای مزومتخلخل تشکیل می‌دهند. فلزات نجیب به‌دلیل پایداری در برابر اکسیداسیون، در برابر تابش فراصوت مقاوم هستند. نقاط ذوب فلزات برحسب درجهٔ کلوین (K) مشخص شده‌اند.

کنترل دقیق این فرایند می‌تواند به نانوساختاردهی هدفمند فلزات معلق در یک محلول آبی منجر شود – با در نظر گرفتن ویژگی‌های فیزیکی و شیمیایی معین فلزات. زیرا همان‌طور که دکتر Daria Andreeva همراه با همکارانش در گُلم، برلین و مینسک نشان داده است، فلزات در مواجهه با چنین فراصوت‌دهی‌ای واکنش‌های بسیار متفاوتی دارند. در فلزات با واکنش‌پذیری بالا، مانند روی، آلومینیوم و منیزیم، به‌تدریج یک ساختار زمینه‌ای تشکیل می‌شود که پوششی اکسیدی آن را پایدار می‌کند. این امر به تولید فلزات متخلخلی می‌انجامد که برای نمونه می‌توان آن‌ها را با فراوری بیشتر در مواد کامپوزیتی به کار برد. بااین‌حال، فلزات نجیب مانند طلا، پلاتین، نقره و پالادیوم رفتار متفاوتی دارند. آن‌ها به‌دلیل تمایل اندک به اکسیداسیون، در برابر تیمار فراصوتی مقاومت می‌کنند و ساختارها و خواص اولیهٔ خود را حفظ می‌کنند.

تصویر بالا نشان می‌دهد که از فراصوت می‌توان برای محافظت از آلیاژهای آلومینیوم در برابر خوردگی نیز استفاده کرد. در سمت چپ: عکس یک آلیاژ آلومینیوم در محلولی بسیار خورنده و در زیر آن، تصویر میکروسکوپ الکترونی از سطحی که روی آن – بر اثر فراصوت‌دهی – پوششی پلی‌الکترولیتی تشکیل شده است. این پوشش به‌مدت 21 روز در برابر خوردگی محافظت می‌کند. در سمت راست: همان آلیاژ آلومینیوم بدون قرار گرفتن در معرض فراصوت‌دهی. سطح کاملاً دچار خوردگی شده است.

این واقعیت که فلزات مختلف به شکل‌های بسیار متفاوتی به فراصوت‌دهی واکنش نشان می‌دهند، می‌تواند برای نوآوری در علم مواد به کار گرفته شود. به این ترتیب می‌توان آلیاژها را به نانوکامپوزیت‌هایی تبدیل کرد که در آن‌ها ذرات مادهٔ پایدارتر در یک زمینهٔ متخلخل از فلز کم‌پایدارتر محصور شده‌اند. در نتیجه، مساحت‌های سطحی بسیار بزرگی در فضایی بسیار محدود ایجاد می‌شوند که امکان استفاده از این نانوکامپوزیت‌ها را به‌عنوان کاتالیزور فراهم می‌کنند. آن‌ها واکنش‌های شیمیایی به‌ویژه سریع و کارآمدی را موجب می‌شوند.

در کنار دکتر Daria Andreeva، پژوهشگران پروفسور دکتر Andreas Fery، دکتر Nicolas Pazos-Perez و Jana Schäferhans، که آن‌ها نیز از گروه شیمی فیزیک II هستند، در دستیابی به نتایج این پژوهش مشارکت داشتند. آن‌ها همراه با همکاران خود در مؤسسهٔ کلوئیدها و فصل‌مشترک‌های ماکس پلانک در گُلم، Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH و دانشگاه دولتی بلاروس در مینسک، تازه‌ترین نتایج خود را به‌صورت آنلاین در مجلهٔ «Nanoscale» منتشر کرده‌اند.