Hielscher Ultrasonics
Keskustelemme mielellämme prosessistasi.
Soita meille: +49 3328 437-420
Lähetä meille sähköpostia: info@hielscher.com

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.

UIP1000hd on tehokas ultraäänilaite, jota käytetään materiaalitekniikkaan, nanorakenteeseen ja hiukkasten muokkaamiseen. (Klikkaa suuremmaksi!)

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

Uusi tekniikka hyödyntää ultraäänellä tuotettua kuplien muodostumisprosessia, jota fysiikassa kutsutaan kavitaatioksi (johdettu lat. “Cavus” = “ontto”). Merenkulussa tätä prosessia pelätään, koska se voi aiheuttaa suuria vahinkoja alusten potkureille ja turbiineille. Sillä erittäin suurilla pyörimisnopeuksilla veden alle muodostuu höyrykuplia. Lyhyen ajan kuluttua erittäin korkeassa paineessa kuplat romahtavat sisäänpäin, mikä muuttaa metallipintoja. Prosessi kavitaatio voidaan tuottaa myös ultraäänellä. Ultraääni koostuu puristusaalloista, joiden taajuudet ylittävät äänialueen (20 kHz) ja tuottavat tyhjiökuplia vedessä ja vesiliuoksissa. Useiden tuhansien celsiusasteiden lämpötilat ja erittäin korkeat paineet, jopa 1000 bar, syntyvät, kun nämä kuplat romahtavat.

Ultraäänilaitetta UIP1000hd on käytetty erittäin huokoisten metallien nanorakentamiseen. (Klikkaa suuremmaksi!)

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).

Tämän prosessin tarkka valvonta voi johtaa vesiliuokseen suspendoituneiden metallien kohdennettuun nanorakenteeseen metallien tiettyjen fysikaalisten ja kemiallisten ominaisuuksien vuoksi. Metallit reagoivat hyvin eri tavalla, kun ne altistuvat tällaiselle sonikaatiolle, kuten tohtori Daria Andreeva yhdessä kollegoidensa kanssa Golmissa, Berliinissä ja Minskissä on osoittanut. Korkean reaktiivisuuden omaavissa metalleissa, kuten sinkissä, alumiinissa ja magnesiumissa, muodostuu vähitellen matriisirakenne, joka stabiloidaan oksidipinnoitteella. Näin syntyy huokoisia metalleja, joita voidaan jatkojalostaa esimerkiksi komposiittimateriaaleiksi. Jalometallit, kuten kulta, platina, hopea ja palladium, käyttäytyvät kuitenkin eri tavalla. Alhaisen hapettumistaipumuksensa vuoksi ne vastustavat ultraäänikäsittelyä ja säilyttävät alkuperäiset rakenteensa ja ominaisuutensa.

Sonikaatiolla voidaan muodostaa polyelektrolyyttipinnoite, joka suojaa korroosiolta. (Klikkaa suuremmaksi!)

Alumiiniseosten ultraäänisuojaus korroosiota vastaan. © [ Skorb et ai., 2011]

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”.

Hielscherin ultraäänilaitetta UIP1000hd käytettiin menestyksekkäästi mesohuokoisten metallien muodostamiseen. (Klikkaa suuremmaksi!)

ultraääniprosessori UIP1000hd Metallien nanorakenteisiin

Ota yhteyttä / kysy lisää

Keskustele kanssamme käsittelyvaatimuksistasi. Suosittelemme projektillesi sopivimpia asennus- ja käsittelyparametreja.






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.

Keskustelemme mielellämme prosessistasi.

Let's get in contact.