יצירת מבנים ננומטריים באמצעות אולטרסאונד לייצור מתכות נקבוביות

סונוכימיה היא כלי יעיל מאוד להנדסה ולהקניית תפקוד לחומרים ננומטריים. במטלורגיה, הקרנה אולטרסונית מעודדת היווצרות של מתכות נקבוביות. קבוצת המחקר של ד״ר דריה אנדרייבה פיתחה תהליך יעיל וחסכוני בסיוע אולטרסאונד לייצור מתכות מזופוריות.

מתכות נקבוביות מעוררות עניין רב בענפים טכנולוגיים מגוונים בזכות תכונותיהן יוצאות הדופן, כגון עמידותן בפני קורוזיה, חוזקן המכני ויכולתן לעמוד בטמפרטורות גבוהות במיוחד. תכונות אלה מבוססות על פני שטח בעלי מבנה ננומטרי עם נקבוביות שקוטרן ננומטרים ספורים בלבד. חומרים מזופוריים מתאפיינים בנקבוביות שגודלן בין 2 ל־50 nm, ואילו לחומרים מיקרופוריים נקבוביות שגודלן קטן מ־2nm. צוות מחקר בינלאומי הכולל את ד״ר דריה אנדרייבה מאוניברסיטת ביירוית (המחלקה לכימיה פיזיקלית II) פיתח בהצלחה תהליך אולטרסוני רב־עוצמה וחסכוני לתכנון ולייצור של מבנים מתכתיים כאלה.

בתהליך זה מטפלים במתכות בתמיסה מימית באופן הגורם להיווצרות חללים בגודל של ננומטרים ספורים, במרווחים מוגדרים במדויק. למבנים מותאמים אלה כבר קיים מגוון רחב של יישומים חדשניים, ובהם טיהור אוויר, אגירת אנרגיה או טכנולוגיה רפואית. מבטיח במיוחד הוא השימוש במתכות נקבוביות בחומרים ננו־מרוכבים. אלה הם סוג חדש של חומרים מרוכבים, שבהם מבנה מטריצה עדין מאוד ממולא בחלקיקים שגודלם מגיע עד 20 ננומטר.

הטכניקה החדשה מנצלת תהליך של היווצרות בועות באמצעות אולטרסאונד, המכונה בפיזיקה קוויטציה (מהמילה הלטינית "cavus" = "חלול"). בתחום השיט חוששים מתהליך זה בשל הנזק הרב שהוא עלול לגרום למדחפי אוניות ולטורבינות. זאת משום שבמהירויות סיבוב גבוהות מאוד נוצרות בועות אדים מתחת למים. לאחר פרק זמן קצר בלחץ גבוה במיוחד, הבועות קורסות פנימה וכך מעוותות את פני השטח המתכתיים. את תהליך הקוויטציה ניתן ליצור גם באמצעות אולטרסאונד. אולטרסאונד מורכב מגלי דחיסה בתדרים שמעל לתחום השמיעה (20 kHz), ויוצר בועות ריק במים ובתמיסות מימיות. כאשר בועות אלה קורסות פנימה, נוצרות טמפרטורות של כמה אלפי מעלות צלזיוס ולחצים גבוהים במיוחד של עד 1000 bar.

התרשים שלעיל מציג את השפעות הקוויטציה האקוסטית על שינוי חלקיקי מתכת. מתכות בעלות נקודת התכה נמוכה (MP), כגון אבץ (Zn), מתחמצנות לחלוטין; מתכות בעלות נקודת התכה גבוהה, כגון ניקל (Ni) וטיטניום (Ti), עוברות שינוי בפני השטח בעת סוניקציה. אלומיניום (Al) ומגנזיום (Mg) יוצרים מבנים מזופוריים. מתכות אצילות עמידות בפני הקרנה אולטרסונית בזכות יציבותן בפני חמצון. נקודות ההתכה של המתכות מצוינות במעלות קלווין (K).

בקרה מדויקת של תהליך זה עשויה להוביל ליצירה מכוונת של מבנים ננומטריים במתכות המורחפות בתמיסה מימית – בהינתן מאפיינים פיזיקליים וכימיים מסוימים של המתכות. זאת משום שמתכות מגיבות באופן שונה מאוד לחשיפה לסוניקציה כזאת, כפי שהראתה ד״ר דריה אנדרייבה יחד עם עמיתיה בגולם, בברלין ובמינסק. במתכות בעלות תגובתיות גבוהה, כגון אבץ, אלומיניום ומגנזיום, נוצר בהדרגה מבנה מטריצה המיוצב באמצעות ציפוי תחמוצת. כך מתקבלות מתכות נקבוביות שניתן, למשל, לעבד בהמשך לשילוב בחומרים מרוכבים. לעומת זאת, מתכות אצילות כגון זהב, פלטינה, כסף ופלדיום מתנהגות אחרת. בשל נטייתן הנמוכה לחמצון, הן עמידות בפני הטיפול באולטרסאונד ושומרות על המבנים והתכונות המקוריים שלהן.

התמונה שלעיל מראה שניתן להשתמש באולטרסאונד גם להגנה על סגסוגות אלומיניום מפני קורוזיה. משמאל: צילום של סגסוגת אלומיניום בתמיסה קורוזיבית מאוד, ומתחתיו תמונת מיקרוסקופ אלקטרונים של פני השטח, שעליהם נוצר ציפוי פוליאלקטרוליטי בעקבות סוניקציה. ציפוי זה מספק הגנה מפני קורוזיה למשך 21 ימים. מימין: אותה סגסוגת אלומיניום ללא חשיפה לסוניקציה. פני השטח עברו קורוזיה מלאה.

ניתן לנצל את העובדה שמתכות שונות מגיבות לסוניקציה בדרכים שונות באופן דרמטי לצורך חידושים במדע החומרים. ניתן להפוך סגסוגות לחומרים ננו־מרוכבים שבהם חלקיקי החומר היציב יותר עטופים במטריצה נקבובית של המתכת היציבה פחות. כך נוצרים שטחי פנים גדולים מאוד במרחב מוגבל מאוד, המאפשרים להשתמש בחומרים ננו־מרוכבים אלה כזרזים. הם מחוללים תגובות כימיות מהירות ויעילות במיוחד.

לצד ד״ר דריה אנדרייבה, תרמו לתוצאות המחקר גם החוקרים פרופ׳ ד״ר אנדראס פרי, ד״ר ניקולס פאסוס־פרס ויאנה שפרהנס, אף הם מהמחלקה לכימיה פיזיקלית II. יחד עם עמיתיהם ממכון מקס פלאנק לקולואידים ולממשקים בגולם, מ־Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH ומאוניברסיטת המדינה של בלארוס במינסק, הם פרסמו את תוצאותיהם האחרונות באינטרנט בכתב העת "Nanoscale".