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 mis au point une procédure efficace et économique assistée par ultrasons pour produire des métaux mésoporeux.

Les métaux poreux suscitent un grand intérêt dans de nombreuses branches 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 pose comprises entre 2 et 50 nm, tandis que les matériaux microporeux ont une taille de pore inférieure à 2 nm. Une équipe de recherche internationale, dont fait partie le Dr Daria Andreeva de l'université de Bayreuth (département de chimie physique II), a réussi à mettre au point une procédure à ultrasons robuste et rentable pour la conception et la production de telles structures métalliques.

Dans ce processus, les métaux sont traités dans une solution aqueuse de manière à former des cavités de quelques nanomètres, dans des espaces définis avec précision. Ces structures sur mesure offrent déjà un large éventail d'applications innovantes, telles que l'épuration de l'air, le stockage de l'énergie ou la technologie médicale. L'utilisation de métaux poreux dans les nanocomposites est particulièrement prometteuse. Il s'agit d'une nouvelle classe de matériaux composites, dans lesquels une structure matricielle très fine est remplie de particules d'une taille allant jusqu'à 20 nanomètres.

La nouvelle technique utilise un processus de formation de bulles générées par ultrasons, appelé cavitation en physique (dérivé de lat. “cavus” = “creux”). Dans le domaine maritime, ce processus est redouté en raison des dommages importants qu'il peut causer aux hélices et aux turbines des navires. En effet, à des vitesses de rotation très élevées, des bulles de vapeur se forment sous l'eau. Après une courte période sous une pression extrêmement élevée, les bulles s'effondrent vers l'intérieur, déformant ainsi les surfaces métalliques. Le processus de cavitation peuvent également être générées à l'aide d'ultrasons. Les ultrasons sont composés d'ondes de compression dont les fréquences sont supérieures au domaine audible (20 kHz) et génèrent des bulles de vide dans l'eau et les solutions aqueuses. L'implosion de ces bulles entraîne des températures de plusieurs milliers de degrés centigrades et des pressions extrêmement élevées pouvant atteindre 1 000 bars.

Le schéma ci-dessus montre les effets de la cavitation acoustique sur la modification des particules métalliques. Les métaux à bas point de fusion (MP) comme le zinc (Zn) sont complètement oxydés ; les métaux à haut point de fusion comme le nickel (Ni) et le titane (Ti) présentent des modifications de surface sous sonication. L'aluminium (Al) et le magnésium (Mg) forment des structures mésoporeuses. Les métaux Nobel sont résistants à l'irradiation par ultrasons en raison de leur stabilité à l'oxydation. Les points de fusion des métaux sont spécifiés en degrés Kelvin (K).

Un contrôle précis de ce processus peut conduire à une nanostructuration ciblée des métaux en suspension dans une solution aqueuse - en fonction de certaines caractéristiques physiques et chimiques des métaux. En effet, les métaux réagissent très différemment lorsqu'ils sont exposés à ce type de sonication, comme l'ont montré le Dr Daria Andreeva et ses collègues de Golm, Berlin et Minsk. Dans les métaux très réactifs comme 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 transformés en matériaux composites. Les métaux nobles tels que l'or, le platine, l'argent et le palladium se comportent différemment. En raison de leur faible tendance à l'oxydation, ils résistent au traitement par ultrasons 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 très corrosive : La photo d'un alliage d'aluminium dans une solution hautement corrosive, en dessous une image électromicroscopique de la surface, sur laquelle - grâce à la sonication - un revêtement de polyélectolyte s'est formé. Ce revêtement offre une protection contre la corrosion pendant 21 jours. À droite : Le même alliage d'aluminium sans avoir été exposé à la sonication. La surface est complètement corrodée.

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

Andreas Fery, 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 des colloïdes et interfaces à Golm, du Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH et de l'Université d'État du Belarus à Minsk, ils ont publié leurs derniers résultats en ligne dans la revue “Échelle nanométrique”.