Nano-Structuration Ultrasonique pour la Production des Métaux Poreux

sonochimie est un outil très efficace pour l'ingénierie et la fonctionnalisation des nanomatériaux. En métallurgie, l'irradiation ultrasonique favorise la formation de métaux poreux. Le groupe de recherche du Dr Daria Andreeva a développé une procédure assistée par ultrasons efficace et rentable pour produire des métaux mésoporeux.

Les métaux poreux attirent beaucoup d'intérêt dans les branches technologiques les plus diverses en raison de leurs caractéristiques exceptionnelles telles que leur résistance à la corrosion, leur résistance mécanique et leur capacité à résister à des températures extrêmement élevées. Ces propriétés sont basées sur les surfaces nanostructurées avec des pores mesurant seulement quelques nanomètres de diamètre. Les matériaux mésoporeux sont caractérisés par des tailles de pose comprises entre 2 et 50 nm, tandis que les matériaux microporeux ont une taille de pores inférieure à 2 nm. Une équipe de recherche internationale comprenant le Dr Daria Andreeva de l'Université de Bayreuth (Département de chimie physique II) a mis au point avec succès une procédure par ultrasons robuste et économique pour la conception et la production de telles structures métalliques.

Dans ce processus, les métaux sont traités dans une solution aqueuse de telle sorte que des cavités de quelques nanomètres évoluent dans des espaces définis avec précision. Pour ces structures sur mesure, il existe déjà un large éventail d'applications innovantes, y compris le nettoyage de l'air, le stockage de l'énergie ou la technologie médicale. particulièrement prometteuse est l'utilisation de métaux poreux dans les nanocomposites. Ce sont une nouvelle classe de matériaux composites, dans lequel une structure de matrice très fine est remplie avec des particules dont la taille maximum de 20 nanomètres.

Le UIP1000hd est un dispositif à ultrasons puissant, qui est utilisé pour l'ingénierie des matériaux, la structuration des nano et la modification des particules. (Cliquez pour agrandir!)

Dr. D. Andreeva montre la procédure de sonification de particules solides dans une suspension aqueuse en utilisant le UIP1000hd appareil à ultrasons (20 kHz, 1000W). Photo par Ch. Wissler

La nouvelle technique utilise un processus de formation de bulle générée par ultrasons, qui est appelé cavitation en physique (dérivé de lat. “Cavus” = “creux”). En navigation, ce processus est à craindre en raison du grand dégâts qu'il peut causer aux hélices des navires et des turbines. Pour des vitesses de rotation très élevées, des bulles de vapeur se forment dans l'eau. Après une courte période sous une pression extrêmement élevée, les bulles vers l'intérieur l'effondrement, déformant ainsi les surfaces métalliques. Le procédé de la cavitation peuvent également être générés en utilisant des ultrasons. L'échographie est composé d'ondes de compression à des fréquences supérieures à la gamme audible (20 kHz) et génère des bulles de vide dans l'eau et les solutions aqueuses. Les températures de plusieurs milliers de degrés centigrades et pressions extrêmement élevées allant jusqu'à 1000 bars se posent lorsque ces bulles implosent.

Le dispositif à ultrasons UIP1000hd a été utilisé pour la nanostructuration de métaux hautement poreux. (Cliquez pour agrandir!)

Représentation schématique des effets de cavitation acoustique sur la modification des particules métalliques.
Photo par le Dr D. Andreeva

Le schéma ci-dessus montre les effets de la cavitation acoustique sur la modification des particules métalliques. Les métaux ayant un point de fusion bas (MP) sous forme de zinc (Zn) sont complètement oxydés; les métaux ayant un 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 Nobel résistent à l'irradiation aux ultrasons en raison de leur stabilité contre l'oxydation. Les points de fusion des métaux sont spécifiés en degrés Kelvin (K).

forces puissantes sont à ultrasons technique bien connue et fiable pour l'extraction (Cliquez pour agrandir!)

cavitation à ultrasons dans un liquide

Un contrôle précis de ce processus peut conduire à une nanostructuration ciblée des métaux en suspension dans une solution aqueuse - compte tenu de certaines caractéristiques physiques et chimiques des métaux. Car les métaux réagissent très différemment lorsqu'ils sont exposés à une telle sonication, comme l'a montré le Dr Daria Andreeva avec ses collègues de Golm, Berlin et Minsk. Dans les métaux à haute réactivité tels que le zinc, l'aluminium et le magnésium, une structure matricielle est progressivement formée, stabilisée par un revêtement d'oxyde. Il en résulte des métaux poreux qui peuvent par exemple être traités dans des matériaux composites. Les métaux nobles tels que l'or, le platine, l'argent et le palladium se comportent cependant différemment. En raison de leur faible tendance à l'oxydation, ils résistent au traitement par ultrasons et conservent leurs structures et propriétés initiales.

Par sonication, un revêtement polyélectrolyte peut être formé qui protège contre la corrosion. (Cliquez pour agrandir!)

protection par ultrasons des alliages d'aluminium contre la corrosion. [© Skorb et al. 2011]

Le tableau ci-dessus montre que les ultrasons peut également être utilisé pour la protection des alliages d'aluminium contre la corrosion. A gauche: Photo d'un alliage d'aluminium dans une solution très corrosive, en dessous d'une image electomicroscopic de la surface, sur lequel - en raison de sonication - un revêtement de polyelectolyte a été formé. Ce revêtement offre une protection contre la corrosion pendant 21 jours. A droite: le même alliage d'aluminium sans avoir été exposé à sonication. La surface est complètement corrodé.

Le fait que différents métaux réagissent de manière radicalement différente à la sonication peut être exploité pour des innovations dans la science des matériaux. Les alliages peuvent être convertis de manière à former des nanocomposites dans lesquels des particules du matériau plus stable sont enfermées dans une matrice poreuse du métal moins stable. De très grandes surfaces apparaissent ainsi dans un espace très restreint, ce qui permet d'utiliser ces nanocomposites comme catalyseurs. Ils effectuent des réactions chimiques particulièrement rapides et efficaces.

En collaboration avec le Dr Daria Andreeva, les chercheurs Prof. Dr. Andreas Fery, le Dr Nicolas Pazos-Perez et Jana Schäferhans, également du département de chimie physique II, ont contribué aux résultats de la recherche. Avec leurs collègues de l'Institut Max Planck de colloïdes et les interfaces Golm, Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH et l'Université d'Etat du Bélarus à Minsk, ils ont publié leurs derniers résultats en ligne dans la revue “nanométrique”.

Hielscher's ultrasonicator UIP1000hd was successfully used for the formation of mesoporous metals. (Click to enlarge!)

sonificateur UIP1000hd pour nanostructuration des métaux

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Référence:

  • Skorb, Ekaterina V;. Fix, Dimitri; Chtchoukine, Dmitry G;. Möhwald, Helmuth; Sviridov, Dmitry V;. Mousa, Rami; Wanderka, Nelia; Schäferhans, Jana; Pazos-Perez, Nicolas; Fery, Andreas; Andreeva, V. Daria (2011): la formation sonochimique d'éponges métalliques. nanométrique – Advance premier 3/3, 2011. 985-993.
  • Wissler, Christian (2011): nanostructuration de haute précision en utilisant des ultrasons: nouvelle procédure pour produire des métaux poreux. Regardez la recherche. Communications de l'Université de Bayreuth 05. 2011

Pour plus d'informations scientifiques, s'il vous plaît contacter: Dr. Daria Andreeva, Département de chimie physique II Université de Bayreuth, 95440 Bayreuth, Allemagne – téléphone: +49 (0) 921 / 55-2750
Courriel : daria.andreeva@uni-bayreuth.de



Qu'il faut savoir

Homogénéisateurs de tissus par ultrasons sont souvent dénommés sonicateur à sonde, lyser ultrasonique, disruptor ultrasons, meuleuse ultrasons, sono-rupteur, sonifier, dismembrator sonic, perturbateur cellulaire, disperseur ultrasonique ou dissolver. Les différents termes proviennent de diverses applications qui peuvent être satisfaites par la sonication.