Nanostructuration par ultrasons pour produire des métaux poreux

La sonochimie est un outil très efficace pour l’élaboration et la fonctionnalisation des nanomatériaux. En métallurgie, l’irradiation ultrasonore favorise la formation de métaux poreux. L’équipe de recherche du Dr Daria Andreeva a développé un procédé assisté par ultrasons efficace et économique pour produire des métaux mésoporeux.

Les métaux poreux suscitent un grand intérêt dans de nombreux secteurs technologiques en raison de leurs caractéristiques exceptionnelles, telles que leur résistance à la corrosion, leur résistance mécanique et leur capacité à supporter des températures extrêmement élevées. Ces propriétés reposent sur des surfaces nanostructurées dont les pores ne mesurent que quelques nanomètres de diamètre. Les matériaux mésoporeux se caractérisent par des tailles de pores comprises entre 2 et 50 nm, tandis que les matériaux microporeux ont des pores de taille inférieure à 2nm. Une équipe de recherche internationale comprenant le Dr Daria Andreeva de l’Université de Bayreuth (département de chimie physique II) a développé avec succès un procédé ultrasonore robuste et économique pour concevoir et produire de telles structures métalliques.

Dans ce procédé, les métaux sont traités dans une solution aqueuse de manière à former des cavités de quelques nanomètres selon des espacements précisément définis. Il existe déjà un large éventail d’applications innovantes pour ces structures sur mesure, notamment la purification de l’air, le stockage d’énergie ou les technologies médicales. L’utilisation de métaux poreux dans les nanocomposites est particulièrement prometteuse. Ceux-ci constituent une nouvelle classe de matériaux composites dans lesquels une structure matricielle très fine est remplie de particules dont la taille peut atteindre 20 nanomètres.

La nouvelle technique utilise un processus de formation de bulles générées par ultrasons, appelé cavitation en physique (du latin « cavus » = « creux »). Dans la navigation maritime, ce phénomène est redouté en raison des dommages importants qu’il peut causer aux hélices des navires et aux turbines. En effet, à des vitesses de rotation très élevées, des bulles de vapeur se forment sous l’eau. Après un court laps de temps sous une pression extrêmement élevée, les bulles s’effondrent sur elles-mêmes, déformant ainsi les surfaces métalliques. Le phénomène de cavitation peut également être généré par ultrasons. Les ultrasons sont constitués d’ondes de compression dont les fréquences sont supérieures à la plage audible (20 kHz) et génèrent des bulles de vide dans l’eau et les solutions aqueuses. Lorsque ces bulles implosent, des températures de plusieurs milliers de degrés Celsius et des pressions extrêmement élevées pouvant atteindre 1000 bar apparaissent.

Le schéma ci-dessus montre les effets de la cavitation acoustique sur la modification des particules métalliques. Les métaux à faible point de fusion (MP), comme le zinc (Zn), sont complètement oxydés ; les métaux à point de fusion élevé, comme le nickel (Ni) et le titane (Ti), présentent une modification de surface sous sonication. L’aluminium (Al) et le magnésium (Mg) forment des structures mésoporeuses. Les métaux nobles résistent à l’irradiation ultrasonore en raison de leur stabilité vis-à-vis de l’oxydation. Les points de fusion des métaux sont indiqués en degrés Kelvin (K).

Un contrôle précis de ce processus peut permettre une nanostructuration ciblée des métaux en suspension dans une solution aqueuse – sous réserve de certaines caractéristiques physiques et chimiques des métaux. En effet, les métaux réagissent très différemment lorsqu’ils sont soumis à une telle sonication, comme l’a montré le Dr Daria Andreeva avec ses collègues de Golm, Berlin et Minsk. Dans les métaux très réactifs, tels que le zinc, l’aluminium et le magnésium, une structure matricielle se forme progressivement, stabilisée par une couche d’oxyde. Il en résulte des métaux poreux qui peuvent, par exemple, être ensuite incorporés à des matériaux composites. Les métaux nobles, tels que l’or, le platine, l’argent et le palladium, se comportent toutefois différemment. En raison de leur faible tendance à l’oxydation, ils résistent au traitement ultrasonore et conservent leurs structures et propriétés initiales.

L’image ci-dessus montre que les ultrasons peuvent également être utilisés pour protéger les alliages d’aluminium contre la corrosion. À gauche : la photo d’un alliage d’aluminium dans une solution fortement corrosive et, en dessous, une image de la surface obtenue par microscopie électronique, sur laquelle un revêtement de polyélectrolyte s’est formé grâce à la sonication. Ce revêtement offre une protection contre la corrosion pendant 21 jours. À droite : le même alliage d’aluminium sans exposition à la sonication. La surface est complètement corrodée.

Le fait que les différents métaux réagissent de manière radicalement différente à la sonication peut être exploité pour innover en science des matériaux. Les alliages peuvent ainsi être transformés en nanocomposites dans lesquels les particules du matériau le plus stable sont encapsulées dans une matrice poreuse du métal le moins stable. Des surfaces très importantes se développent ainsi dans un espace très restreint, ce qui permet d’utiliser ces nanocomposites comme catalyseurs. Ils permettent des réactions chimiques particulièrement rapides et efficaces.

Outre le Dr Daria Andreeva, les chercheurs Prof. Dr Andreas Fery, Dr Nicolas Pazos-Perez et Jana Schäferhans, également du département de chimie physique II, ont contribué aux résultats de recherche. Avec leurs collègues de l’Institut Max Planck des colloïdes et interfaces à Golm, du Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH et de l’Université d’État de Biélorussie à Minsk, ils ont publié leurs derniers résultats en ligne dans la revue « Nanoscale ».