sonokemian on erittäin tehokas väline suunnittelu- ja funktionalisointi nanomateriaalien. Metallurgia, ultraäänisäteilytyksen edistää muodostumista huokoisen metalleja. Tutkimusryhmä tohtori Daria Andreeva kehitetty tehokas ja kustannustehokas ultraääni-avusteinen menettely tuottaa mesohuokoisten metalleja.

Huokoiset metallit houkutella suurta kiinnostusta jakotukin teknologian oksat johtuen niiden olevat ominaisuudet, kuten niiden korroosionkestävyys, mekaaninen lujuus ja kyky kestää erittäin korkeita lämpötiloja. Nämä ominaisuudet perustuvat nanorakennepintoihin huokoset mitataan vain muutaman nanometrin halkaisija. Mesohuokoisten aineiden on ominaista aiheuttaa koot ovat välillä 2-50 nm, kun taas mikrohuokoisen materiaalin huokoskoko on pienempi kuin 2 nm. Kansainvälinen tutkijaryhmä lukien tohtori Daria Andreeva Bayreuthin yliopisto (Department of Physical Chemistry II) on menestyksekkäästi kehittänyt raskaiden ja kustannustehokkaita ultraääni menettely suunnittelun ja tuotannon tällaisten metallirakenteiden.

Tässä prosessissa, metallit käsitellään vesiliuoksessa siten, että ontelot muutaman nanometrin kehittyä, on täsmällisesti määritelty aukkoja. Näille räätälöityjä rakenteita on jo laajan kirjon innovatiivisia sovelluksia, kuten ilman puhdistus, energian varastointiin tai lääketieteellisen teknologian. Erityisen lupaava on huokoisten metallien nanokomposiittimateriaaleihin. Nämä ovat uuden luokan komposiittimateriaalien, jossa erittäin hieno matriisi rakenne on täytetty hiukkasia, joiden koko on jopa 20 nanometriä.

Uusi tekniikka hyödyntää prosessin ultraäänellä syntyy kuplien muodostuminen, jota kutsutaan kavitaation fysiikan (johdettu lat. “Cavus” = “ontto”). Merenkulun, tämä prosessi on pelätty, koska suurta vahinkoa se voi aiheuttaa Laivapotkureiden ja turbiinit. Ja erittäin suurilla kierrosluvuilla, höyryä muodostuu kuplia veden alla. Lyhyen ajan kuluttua on erittäin korkea paine kuplia romahtaa sisäänpäin, siten muotoaan metallipinnat. Prosessi kavitaatio voidaan tuottaa myös käyttäen ultraääntä. Ultraääni koostuu paineaaltojen taajuuksilla yläpuolella kuuloalueen (20 kHz) ja generoi tyhjiö kuplia veden ja vesiliuosten. Lämpötilat usean tuhannen asteen lämpötilassa ja erittäin suuria paineita jopa 1000 bar syntyvät kun nämä kuplat romahtaa.

Edellä oleva kaavio esittää akustisen kavitaation vaikutuksia metallihiukkasten muuttamiseen. Metallit, joiden sulamispiste (MP) on sinkki (Zn), ovat täysin hapettuneita; metallit, joilla on korkea sulamispiste, kuten nikkeli (Ni) ja titaani (Ti), esittävät pinnan muokkausta sonikaatiossa. Alumiini (Al) ja magnesium (Mg) muodostavat mesohuokoisia rakenteita. Nobelmetallit kestävät ultraäänitutkimuksia, koska ne kestävät hapettumista vastaan. Metallien sulamispisteet on määritelty asteina Kelvin (K).

Tämän prosessin tarkka hallinta voi johtaa metalliin kohdistuvaan nanorakenteeseen, joka on ripustettu vesiliuokseen - kun otetaan huomioon metallien tietyt fysikaaliset ja kemialliset ominaisuudet. Metallien reagoida hyvin erilaisella tavalla, kun ne altistuvat tällaiselle sonikoinnille, kuten tohtori Daria Andreeva yhdessä Golmin, Berliinin ja Minskin kollegoidensa kanssa on osoittanut. Metalleilla, joilla on suuri reaktiivisuus, kuten sinkki, alumiini ja magnesium, muodostetaan vähitellen matriisirakenne, stabiloidaan oksidipinnoitteella. Tämä johtaa huokoisiin metalleihin, joita voidaan edelleen käsitellä komposiittimateriaaleissa. Jalometallit, kuten kulta, platina, hopea ja palladium, käyttäytyvät kuitenkin eri tavalla. Heidän alhaisen hapettumispyrkimyytensä vuoksi ne vastustavat ultraäänikäsittelyä ja säilyttävät alkuperäiset rakenteet ja ominaisuudet.

Yllä olevassa kuvassa, että ultraääni voidaan käyttää myös suojelemiseksi alumiiniseosten korroosiota vastaan. Vasemmalla: Kuva alumiiniseoksesta on erittäin syövyttävä liuos, alapuolella electomicroscopic pinnasta kuvan, johon - johtuen ultraäänellä - polyelektrolyytin pinnoite on muodostettu. Tämä pinnoite tarjoaa suojaa korroosiolta 21 päivää. Oikealla: Sama alumiiniseos ilman altistunut sonikoimalla. Pinta on täysin syöpynyt.

Se, että erilaiset metallit reagoivat dramaattisesti eri tavoin sonikointiin, voidaan hyödyntää materiaalitekniikan innovaatioissa. Metalliseokset voidaan muuntaa siten nanokomposiiteiksi, joissa stabiilimman materiaalin hiukkaset ovat koteloituna vähemmän stabiilin metallin huokoisessa matriisissa. Erittäin suuret pinta-alat syntyvät hyvin rajoitetusti, mikä mahdollistaa näiden nanokomposiittien käytön katalyytteinä. Ne vaikuttavat erityisen nopeasti ja tehokkaasti kemiallisiin reaktioihin.

Yhdessä tohtori Daria Andreeva, tutkijat professori Andreas Fery, tohtori Nicolas Pazos-Perez ja Jana Schäferhans, myös osaston of Physical Chemistry II osaltaan tutkimustuloksia. Työtovereidensa Max Planck Institute of Colloids Studiolaitteille Golm, Helmholtz-Zentrum Berlin für Materiaalit und Energie GmbH: n ja Valko-Venäjän valtionyliopisto Minskissä he ovat julkaisseet uusimmat tulokset verkossa lehdessä “nanomittakaavan”.