Ultraääninanorakenne huokoisten metallien tuottamiseksi
Sonokemia on erittäin tehokas työkalu nanomateriaalien suunnitteluun ja funktionalisointiin. Metallurgiassa ultraäänisäteilytys edistää huokoisten metallien muodostumista. Dr. Daria Andreevan tutkimusryhmä kehitti tehokkaan ja kustannustehokkaan ultraääniavusteisen menetelmän mesohuokoisten metallien tuottamiseksi.
Huokoiset metallit herättävät suurta kiinnostusta moninaisissa teknologisissa haaroissa erinomaisten ominaisuuksiensa, kuten korroosionkestävyyden, mekaanisen lujuuden ja erittäin korkeiden lämpötilojen kestävyyden vuoksi. Nämä ominaisuudet perustuvat nanorakenteisiin pintoihin, joiden huokoset ovat halkaisijaltaan vain muutamia nanometrejä. Mesohuokoisille materiaaleille on ominaista poseerauskoot välillä 2 - 50 nm, kun taas mikrohuokoisen materiaalin huokoskoko on alle 2 nm. Kansainvälinen tutkimusryhmä, johon kuuluu tohtori Daria Andreeva Bayreuthin yliopistosta (fysikaalisen kemian laitos II), on menestyksekkäästi kehittänyt raskaan ja kustannustehokkaan ultraäänimenetelmän tällaisten metallirakenteiden suunnitteluun ja valmistukseen.
Tässä prosessissa metalleja käsitellään vesiliuoksessa siten, että muutaman nanometrin ontelot kehittyvät tarkasti määriteltyihin rakoihin. Näitä räätälöityjä rakenteita varten on jo olemassa laaja valikoima innovatiivisia sovelluksia, kuten ilmanpuhdistus, energian varastointi tai lääketieteellinen tekniikka. Erityisen lupaava on huokoisten metallien käyttö nanokomposiiteissa. Nämä ovat uusi komposiittimateriaalien luokka, jossa erittäin hieno matriisirakenne täytetään jopa 20 nanometrin kokoisilla hiukkasilla.

Dr. D. Andreeva osoittaa kiinteiden hiukkasten sonikaatiomenetelmän vesisuspensiossa käyttämällä UIP1000hd ultraäänilaite (20 kHz, 1000W). Kuva: Ch. Wißler

Kaavamainen esitys akustisen kavitaation vaikutuksista metallihiukkasten modifikaatioon.
Kuva: Dr. D. Andreeva
Yllä oleva kaavio osoittaa akustisen kavitaation vaikutukset metallihiukkasten modifikaatioon. Metallit, joiden sulamispiste (MP) on alhainen sinkkinä (Zn), hapettuvat kokonaan; metallit, joilla on korkea sulamispiste, kuten nikkeli (Ni) ja titaani (Ti), osoittavat pinnan muokkausta sonikaatiossa. Alumiini (Al) ja magnesium (Mg) muodostavat mesohuokoisia rakenteita. Nobel-metallit kestävät ultraäänisäteilytystä, koska ne ovat stabiileja hapettumista vastaan. Metallien sulamispisteet ilmoitetaan Kelvin-asteina (K).

ultraääni kavitaatio nesteessä
Yllä oleva kuva osoittaa, että ultraääntä voidaan käyttää myös alumiiniseosten suojaamiseen korroosiolta. Vasemmalla: Kuva alumiiniseoksesta erittäin syövyttävässä liuoksessa, pinnan elektomikroskooppisen kuvan alla, jolle - sonikoinnin vuoksi - on muodostettu polyelektolyyttipinnoite. Tämä pinnoite suojaa korroosiolta 21 päivän ajan. Oikealla: Sama alumiiniseos ilman, että se on altistunut sonikaatiolle. Pinta on täysin syöpynyt.
Se, että eri metallit reagoivat dramaattisesti eri tavoin sonikaatioon, voidaan hyödyntää materiaalitieteen innovaatioissa. Seokset voidaan muuntaa siten, että ne muunnetaan nanokomposiiteiksi, joissa stabiilin materiaalin hiukkaset koteloidaan vähemmän stabiilin metallin huokoiseen matriisiin. Näin ollen hyvin rajoitetussa tilassa syntyy hyvin suuria pinta-aloja, mikä mahdollistaa näiden nanokomposiittien käytön katalysaattoreina. Ne saavat aikaan erityisen nopeita ja tehokkaita kemiallisia reaktioita.
Yhdessä tohtori Daria Andreevan kanssa tutkijat professori Dr. Andreas Fery, Dr. Nicolas Pazos-Perez ja Jana Schäferhans, myös fysikaalisen kemian laitokselta II, osallistuivat tutkimustuloksiin. Yhdessä kollegoidensa kanssa Max Planck Institute of Colloids and Interfaces -instituutissa Golmissa, Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH:ssa ja Valko-Venäjän valtionyliopistossa Minskissä he ovat julkaisseet viimeisimmät tuloksensa verkossa lehdessä “Nanomittakaava”.

ultraääniprosessori UIP1000hd Metallien nanorakenteisiin
Viittaus:
- Skorb, Ekaterina V.; Korjaa, Dimitri; Shchukin, Dmitri G.; Möhwald, Helmuth; Sviridov, Dmitri V.; Mousa, Rami; Wanderka, Nelia; Schäferhans, Jana; Pazos-Perez, Nicolas ; Fery, Andreas; Andreeva, Daria V. (2011): Metallisienien sonokemiallinen muodostuminen. Nanomittakaava – Ennakko ensin 3/3, 2011. 985-993.
- Wißler, Christian (2011): Erittäin tarkka nanorakenne ultraäänellä: uusi menetelmä huokoisten metallien tuottamiseksi. Blick die Forschungissa. Mitteilungen der Universität Bayreuth 05, 2011.
Lisätietoja tieteellisestä perusta: Dr. Daria Andreeva, Department of Physical Chemistry II Bayreuth University, 95440 Bayreuth, Saksa – Puhelin: +49 (0) 921 / 55-2750
Sähköposti: daria.andreeva@uni-bayreuth.de
Faktoja, jotka kannattaa tietää
Ultraäänikudoshomogenisaattoreita kutsutaan usein koettimen sonikaattoriksi, sonic lyseriksi, ultraäänihäiritsijäksi, ultraäänihiomakoneeksi, sono-ruptoriksi, sonifieriksi, sonic dismembratoriksi, solujen häiritsijäksi, ultraäänidispergointiaineeksi tai dissolveriksi. Eri termit johtuvat erilaisista sovelluksista, jotka voidaan täyttää sonikaatiolla.
- sekoittaminen
- Emulgointiaine
- Purkamalla
- deagglomeraatio
- märkä jyrsintä
- kaasunpoisto
- Liuottamalla
- Uuttaminen
- Kudosten homogenisointi
- Sono-pirstoutuminen
- käyminen
- puhdistus
- Sono-synteesi
- Sono-katalyysi
- sade
- Sono-huuhtoutuminen
- Rappio