ננו-מבנה על-קולי לייצור מתכות נקבוביות

סונוכימיה הוא כלי יעיל מאוד להנדסה ופונקציונליות של ננו חומרים. במטלורגיה, הקרינה הקולית מקדמת היווצרות של מתכות נקבוביות. קבוצת המחקר של ד"ר דריה אנדרייבה פיתחה הליך יעיל וחסכוני בעזרת אולטרסאונד לייצור מתכות מזופוריות.

מתכות נקבוביות מושכות עניין רב של ענפים טכנולוגיים רבים בשל תכונותיהן הבולטות כגון עמידותן בפני קורוזיה, חוזק מכני ויכולת לעמוד בטמפרטורות גבוהות במיוחד. תכונות אלה מבוססות על משטחים ננומטריים עם נקבוביות בקוטר ננומטרים ספורים בלבד. חומרים מזופוריים מאופיינים בגודל תנוחה בין 2 ל -50 ננומטר, בעוד שלחומר מיקרונקבובי יש גודל נקבוביות קטן מ -2 ננומטר. צוות מחקר בינלאומי הכולל את ד"ר דריה אנדרייבה מאוניברסיטת ביירוית (המחלקה לכימיה פיזיקלית II) פיתח בהצלחה הליך אולטרסאונד כבד וחסכוני לתכנון וייצור של מבנים מתכתיים כאלה.

בתהליך זה, מתכות מטופלות בתמיסה מימית באופן כזה שחללים של ננומטרים בודדים מתפתחים, במרווחים מוגדרים במדויק. עבור מבנים מותאמים אישית אלה, יש כבר מגוון רחב של יישומים חדשניים, כולל ניקוי אוויר, אחסון אנרגיה או טכנולוגיה רפואית. מבטיח במיוחד הוא השימוש במתכות נקבוביות בננו-מרוכבים. מדובר בסוג חדש של חומרים מרוכבים, שבו מבנה מטריצה דק מאוד מלא בחלקיקים שגודלם עד 20 ננומטר.

הטכניקה החדשה משתמשת בתהליך של היווצרות בועות אולטרה-סאונד, המכונה קוויטציה בפיזיקה (נגזר מהמילה lat. “קאבוס” = “חלול”). בימאות חוששים מתהליך זה בשל הנזק הרב שהוא עלול לגרום למדחפים ולטורבינות של ספינות. שכן במהירויות סיבוב גבוהות מאוד, נוצרות בועות קיטור מתחת למים. לאחר תקופה קצרה בלחץ גבוה במיוחד הבועות קורסות פנימה ובכך מעוותות את המשטחים המתכתיים. התהליך של קוויטציה ניתן ליצור גם באמצעות אולטרסאונד. אולטרסאונד מורכב מגלי דחיסה בתדרים מעל תחום השמיעה (20 קילוהרץ) ומייצר בועות ואקום במים ותמיסות מימיות. טמפרטורות של כמה אלפי מעלות צלזיוס ולחץ גבוה מאוד של עד 1000 בר מתעוררים כאשר בועות אלה מתפוצצות.

התוכנית לעיל מראה את ההשפעות של cavitation אקוסטי על שינוי של חלקיקי מתכת. מתכות עם נקודת התכה נמוכה (MP) כמו אבץ (Zn) מחומצנים לחלוטין; מתכות עם נקודת התכה גבוהה כמו ניקל (Ni) וטיטניום (Ti) מציגות שינוי פני שטח תחת סוניקציה. אלומיניום (Al) ומגנזיום (Mg) יוצרים מבנים מזופוריים. מתכות נובל עמידות לקרינת אולטרסאונד בשל יציבותן מפני חמצון. נקודות ההתכה של המתכות מוגדרות במעלות קלווין (K).

בקרה מדויקת של תהליך זה עשויה להוביל לננו-בנייה ממוקדת של מתכות המרחפות בתמיסה מימית – בהינתן מאפיינים פיזיקליים וכימיים מסוימים של המתכות. שכן מתכות מגיבות בצורה שונה מאוד כאשר הן נחשפות לסוניקציה כזו, כפי שהראו ד"ר דריה אנדרייבה יחד עם עמיתיה בגולם, ברלין ומינסק. במתכות בעלות תגובתיות גבוהה כגון אבץ, אלומיניום ומגנזיום, נוצר בהדרגה מבנה מטריצה, המיוצב על ידי ציפוי תחמוצת. התוצאה היא מתכות נקבוביות שיכולות למשל להיות מעובדות עוד יותר בחומרים מרוכבים. מתכות אצילות כגון זהב, פלטינה, כסף ופלדיום לעומת זאת מתנהגות אחרת. בגלל נטיית החמצון הנמוכה שלהם, הם מתנגדים לטיפול האולטרסאונד ושומרים על המבנים והמאפיינים הראשוניים שלהם.

התמונה לעיל מראה כי אולטרסאונד יכול לשמש גם להגנה על סגסוגות אלומיניום מפני קורוזיה. משמאל: תמונה של סגסוגת אלומיניום בתמיסה קורוזיבית מאוד, מתחת לתמונה אלקטומיקרוסקופית של פני השטח, שעליה – עקב סוניקציה – נוצר ציפוי פוליאלקטוליט. ציפוי זה מציע הגנה מפני קורוזיה למשך 21 יום. מימין: אותה סגסוגת אלומיניום מבלי שנחשפה לסוניקציה. פני השטח חלודים לחלוטין.

העובדה שמתכות שונות מגיבות בדרכים שונות באופן דרמטי לסוניק יכולה להיות מנוצלת לחידושים במדע החומרים. סגסוגות ניתן להמיר בצורה כזו nanocomposites שבו חלקיקים של החומר יציב יותר עטופים מטריצה נקבובית של מתכת יציבה פחות. שטחי פנים גדולים מאוד נוצרים אפוא בחלל מוגבל מאוד, המאפשר שימוש בננו-מרוכבים אלה כזרזים. הם משפיעים על תגובות כימיות מהירות ויעילות במיוחד.

יחד עם ד"ר דריה אנדרייבה, החוקרים פרופ' אנדריאס פרי, ד"ר ניקולס פזוס-פרז ויאנה שפרהנס, גם היא מהמחלקה לכימיה פיזיקלית II, תרמו לתוצאות המחקר. יחד עם עמיתיהם במכון מקס פלנק לקולואידים וממשקים בגולם, ב-Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH ובאוניברסיטה הממלכתית של בלארוס במינסק, הם פרסמו את התוצאות האחרונות שלהם באינטרנט בכתב העת “בקנה מידה ננומטרי”.