Huokoisten metallien valmistus ultraäänellä tapahtuvalla nanorakenteistamisella

Sonokemia on erittäin tehokas työkalu nanomateriaalien muokkaukseen ja funktionalisointiin. Metallurgiassa ultraäänisäteily edistää huokoisten metallien muodostumista. Tohtori Daria Andreevan tutkimusryhmä kehitti tehokkaan ja kustannustehokkaan ultraääniavusteisen menetelmän mesohuokoisten metallien valmistukseen.

Huokoiset metallit herättävät suurta kiinnostusta monilla teknologian aloilla erinomaisten ominaisuuksiensa, kuten korroosionkestävyytensä, mekaanisen lujuutensa ja erittäin korkeiden lämpötilojen sietokykynsä, ansiosta. Nämä ominaisuudet perustuvat nanorakenteisiin pintoihin, joiden huokosten halkaisija on vain muutamia nanometrejä. Mesohuokoisille materiaaleille ovat ominaisia 2–50 nm:n huokoskoot, kun taas mikrohuokoisten materiaalien huokoskoko on alle 2 nm. Kansainvälinen tutkimusryhmä, johon kuuluu tohtori Daria Andreeva Bayreuthin yliopistosta (fysikaalisen kemian osasto II), on onnistuneesti kehittänyt vaativaan käyttöön soveltuvan ja kustannustehokkaan ultraäänimenetelmän tällaisten metallirakenteiden suunnitteluun ja valmistukseen.

Tässä prosessissa metalleja käsitellään vesiliuoksessa siten, että tarkasti määriteltyihin väleihin muodostuu muutaman nanometrin kokoisia onteloita. Näille räätälöidyille rakenteille on jo olemassa laaja kirjo innovatiivisia käyttökohteita, kuten ilmanpuhdistus, energian varastointi ja lääketieteellinen teknologia. Erityisen lupaavaa on huokoisten metallien käyttö nanokomposiiteissa. Ne ovat uusi komposiittimateriaalien luokka, jossa erittäin hienojakoinen matriisirakenne täytetään hiukkasilla, joiden koko on enintään 20 nanometriä.

Uusi tekniikka hyödyntää ultraäänellä aikaansaatua kuplien muodostumista, jota fysiikassa kutsutaan kavitaatioksi (latinan sanasta ”cavus” = ”ontto”). Merenkulussa tätä prosessia pelätään, koska se voi aiheuttaa suuria vaurioita laivojen potkureille ja turbiineille. Erittäin suurilla pyörimisnopeuksilla veden alle muodostuu höyrykuplia. Oltuaan lyhyen aikaa erittäin korkeassa paineessa kuplat luhistuvat sisäänpäin ja aiheuttavat siten metallipintojen muodonmuutoksia. Prosessi nimeltä kavitaatio voidaan synnyttää myös ultraäänellä. Ultraääni koostuu paineaalloista, joiden taajuudet ovat kuuloalueen yläpuolella (20 kHz), ja se synnyttää tyhjiökuplia veteen ja vesiliuoksiin. Näiden kuplien luhistuessa syntyy useiden tuhansien celsiusasteiden lämpötiloja ja erittäin korkeita, jopa 1000 bar:n paineita.

Yllä oleva kaavio esittää akustisen kavitaation vaikutukset metallihiukkasten muokkaukseen. Metallit, joiden sulamispiste (MP) on alhainen, kuten sinkki (Zn), hapettuvat kokonaan; metalleissa, joiden sulamispiste on korkea, kuten nikkelissä (Ni) ja titaanissa (Ti), tapahtuu pinnan muokkautumista ultraäänikäsittelyn aikana. Alumiini (Al) ja magnesium (Mg) muodostavat mesohuokoisia rakenteita. Jalometallit kestävät ultraäänisäteilyä hapettumisenkestävyytensä ansiosta. Metallien sulamispisteet on ilmoitettu kelvinasteina (K).

Tämän prosessin tarkka hallinta voi mahdollistaa vesiliuokseen suspendoitujen metallien kohdennetun nanorakenteistamisen – edellyttäen, että metalleilla on tietyt fysikaaliset ja kemialliset ominaisuudet. Metallit reagoivat nimittäin hyvin eri tavoin tällaiseen ultraäänikäsittelyyn, kuten tohtori Daria Andreeva on yhdessä Golmissa, Berliinissä ja Minskissä työskentelevien kollegoidensa kanssa osoittanut. Voimakkaasti reaktiivisiin metalleihin, kuten sinkkiin, alumiiniin ja magnesiumiin, muodostuu vähitellen matriisirakenne, jota oksidipinnoite vakauttaa. Tuloksena on huokoisia metalleja, joita voidaan esimerkiksi jatkojalostaa komposiittimateriaaleiksi. Jalometallit, kuten kulta, platina, hopea ja palladium, käyttäytyvät kuitenkin eri tavoin. Vähäisen hapettumistaipumuksensa ansiosta ne kestävät ultraäänikäsittelyä ja säilyttävät alkuperäiset rakenteensa ja ominaisuutensa.

Yllä oleva kuva osoittaa, että ultraääntä voidaan käyttää myös alumiiniseosten suojaamiseen korroosiolta. Vasemmalla: valokuva alumiiniseoksesta voimakkaasti syövyttävässä liuoksessa ja sen alapuolella elektronimikroskooppikuva pinnasta, jolle on ultraäänikäsittelyn ansiosta muodostunut polyelektrolyyttipinnoite. Tämä pinnoite suojaa korroosiolta 21 päivän ajan. Oikealla: sama alumiiniseos, jota ei ole altistettu ultraäänikäsittelylle. Pinta on täysin syöpynyt.

Sitä, että eri metallit reagoivat ultraäänikäsittelyyn hyvin eri tavoin, voidaan hyödyntää materiaalitieteen innovaatioissa. Seoksia voidaan näin muuntaa nanokomposiiteiksi, joissa vakaamman materiaalin hiukkaset ovat vähemmän vakaan metallin huokoisen matriisin sisällä. Näin hyvin rajalliseen tilaan syntyy erittäin suuria pinta-aloja, mikä mahdollistaa näiden nanokomposiittien käytön katalyytteinä. Ne saavat aikaan erityisen nopeita ja tehokkaita kemiallisia reaktioita.

Tohtori Daria Andreevan ohella tutkimustulosten saavuttamiseen osallistuivat tutkijat professori, tohtori Andreas Fery, tohtori Nicolas Pazos-Perez ja Jana Schäferhans, jotka työskentelevät myös fysikaalisen kemian osastolla II. Yhdessä Golmissa sijaitsevan Max Planckin kolloidi- ja rajapintatutkimuksen instituutin, Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH:n ja Minskissä sijaitsevan Valko-Venäjän valtionyliopiston kollegoidensa kanssa he ovat julkaisseet uusimmat tuloksensa verkossa ”Nanoscale”-lehdessä.