التراسونیک نانو ساختار برای تولید فلزات متخلخل

آوا شیمی ابزاری بسیار موثر برای مهندسی و کارکردسازی مواد نانو است. در متالورژی، تابش اولتراسونیک باعث تشکیل فلزات متخلخل می شود. گروه تحقیقاتی دکتر داریا آندریوا یک روش موثر و مقرون به صرفه با کمک سونوگرافی برای تولید فلزات مزومتخلخل ایجاد کردند.

فلزات متخلخل به دلیل ویژگی های برجسته ای مانند مقاومت در برابر خوردگی، مقاومت مکانیکی و قابلیت مقاومت در برابر دماهای بسیار بالا، علاقه زیادی را به خود جلب می کنند. این خواص بر اساس سطوح نانوساختار با منافذ با قطر تنها چند نانومتر است. مواد مزومتخلخل با اندازه ژست بین 2 تا 50 نانومتر مشخص می شوند، در حالی که مواد ریز متخلخل دارای اندازه منافذ کمتر از 2 نانومتر هستند. یک تیم تحقیقاتی بین المللی از جمله دکتر داریا آندریوا از دانشگاه بایرویت (گروه شیمی فیزیک II) با موفقیت یک روش سونوگرافی سنگین و مقرون به صرفه برای طراحی و تولید چنین سازه های فلزی ایجاد کرده است.

در این فرآیند ، فلزات در یک محلول آبی به گونه ای تصفیه می شوند که حفره های چند نانومتری ، در شکاف های دقیق تعریف شده تکامل می یابند. برای این سازه های سفارشی، در حال حاضر طیف گسترده ای از کاربردهای نوآورانه، از جمله تمیز کردن هوا، ذخیره انرژی یا فناوری پزشکی وجود دارد. به ویژه استفاده از فلزات متخلخل در نانوکامپوزیت ها امیدوار کننده است. اینها کلاس جدیدی از مواد کامپوزیتی هستند که در آنها یک ساختار ماتریس بسیار ظریف با ذراتی با اندازه تا 20 نانومتر پر شده است.

این تکنیک جدید با استفاده از یک فرایند تشکیل حباب تولید شده توسط اولتراسون، که در فیزیک کاویتاسیون نامیده می شود (مشتق شده از lat. “کاووس” = “توخالی”). در دریانوردی، این فرآیند به دلیل آسیب زیادی که می تواند به ملخ ها و توربین های کشتی وارد کند، مورد ترس قرار می گیرد. زیرا در سرعت چرخش بسیار بالا، حباب های بخار در زیر آب تشکیل می شوند. پس از مدت کوتاهی تحت فشار بسیار زیاد، حباب ها به سمت داخل فرو می ریزند، بنابراین سطوح فلزی را تغییر شکل می دهند. فرآیند کاویتاسیون همچنین می تواند با استفاده از سونوگرافی تولید شود. سونوگرافی از امواج فشاری با فرکانس های بالاتر از محدوده قابل شنیدن (20 کیلوهرتز) تشکیل شده و حباب های خلاء را در آب و محلول های آبی ایجاد می کند. دمای چند هزار درجه سانتیگراد و فشارهای بسیار بالا تا 1000 بار هنگام انفجار این حباب ها بوجود می آیند.

طرح فوق اثرات کاویتاسیون صوتی را بر اصلاح ذرات فلزی نشان می دهد. فلزات با نقطه ذوب پایین (MP) به عنوان روی (Zn) کاملا اکسید می شوند. فلزات با نقطه ذوب بالا مانند نیکل (نیکل) و تیتانیوم (Ti) نمایشگاه اصلاح سطح تحت فراصوت. آلومینیوم (Al) و منیزیم (Mg) ساختارهای مزومتخلخل را تشکیل می دهند. فلزات نوبل به دلیل پایداری در برابر اکسیداسیون در برابر اشعه اولتراسوند مقاوم هستند. نقاط ذوب فلزات بر حسب درجه کلوین (K) مشخص شده است.

کنترل دقیق این فرآیند ممکن است منجر به نانوساختار هدفمند فلزات معلق در یک محلول آبی شود - با توجه به ویژگی های فیزیکی و شیمیایی خاص فلزات. برای فلزات واکنش بسیار متفاوت زمانی که به چنین فراصوت قرار می گیرند, به عنوان دکتر داریا آندریوا به همراه همکارانش در گلم, برلین و مینسک نشان داده است. در فلزات با واکنش پذیری بالا مانند روی، آلومینیوم و منیزیم، یک ساختار ماتریسی به تدریج تشکیل می شود که توسط یک پوشش اکسیدی تثبیت می شود. این منجر به فلزات متخلخل می شود که به عنوان مثال می توانند در مواد کامپوزیتی بیشتر پردازش شوند. با این حال، فلزات نجیب مانند طلا، پلاتین، نقره و پالادیوم رفتار متفاوتی دارند. به دلیل تمایل کم اکسیداسیون ، آنها در برابر درمان سونوگرافی مقاومت می کنند و ساختارها و خواص اولیه خود را حفظ می کنند.

تصویر بالا نشان می دهد که سونوگرافی همچنین می تواند برای محافظت از آلیاژهای آلومینیوم در برابر خوردگی استفاده شود. در سمت چپ: عکس آلیاژ آلومینیوم در یک محلول بسیار خورنده، در زیر یک تصویر الکترومیکروسکوپی از سطح، که بر روی آن - به دلیل فراصوت - یک پوشش پلی الکترولیت تشکیل شده است. این پوشش به مدت 21 روز در برابر خوردگی محافظت می کند. در سمت راست: همان آلیاژ آلومینیوم بدون اینکه در معرض فراصوت قرار گرفته باشد. سطح کاملا خورده شده است.

این واقعیت است که فلزات مختلف در روش های به طور چشمگیری متفاوت به فراصوت واکنش نشان می دهند می تواند برای نوآوری در علم مواد مورد بهره برداری قرار گیرد. آلیاژها را می توان به گونه ای به نانوکامپوزیت تبدیل کرد که در آن ذرات مواد پایدارتر در یک ماتریس متخلخل از فلز با ثبات کمتر محصور شده اند. بنابراین سطح بسیار بزرگی در فضای بسیار محدودی بوجود می آیند که اجازه می دهد از این نانوکامپوزیت ها به عنوان کاتالیزور استفاده شوند. آنها به ویژه واکنش های شیمیایی سریع و کارآمد را تحت تأثیر قرار می دهند.

همراه با دکتر داریا آندریوا، محققان پروفسور دکتر آندریاس فری، دکتر نیکولاس پازوس-پرز و جانا شافرهانس، همچنین از گروه شیمی فیزیک II، در نتایج تحقیق مشارکت داشتند. آنها به همراه همکاران خود در موسسه کلوئیدها و رابط های ماکس پلانک در گلم، Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH و دانشگاه دولتی بلاروس در مینسک، آخرین نتایج خود را به صورت آنلاین در مجله منتشر کرده اند “مقیاس نانو”.