Ultrazvučno nano-strukturiranje za proizvodnju poroznih metala
Sonokemija je vrlo učinkovit alat za inženjering i funkcionalizaciju nano materijala. U metalurgiji, ultrazvučno zračenje potiče stvaranje poroznih metala. Istraživačka skupina dr. Darije Andreeve razvila je učinkovit i isplativ postupak uz pomoć ultrazvuka za proizvodnju mezoporoznih metala.
Porozni metali privlače veliki interes brojnih tehnoloških grana zbog svojih izvanrednih karakteristika kao što su otpornost na koroziju, mehanička čvrstoća i sposobnost podnošenja izrazito visokih temperatura. Ova svojstva temelje se na nanostrukturiranim površinama s porama promjera samo nekoliko nanometara. Mezoporozne materijale karakterizira veličina pora između 2 do 50 nm, dok mikroporozni materijali imaju veličinu pora manju od 2 nm. Međunarodni istraživački tim uključujući dr. Dariju Andreevu sa Sveučilišta Bayreuth (Odjel za fizikalnu kemiju II) uspješno je razvio zahtjevan i isplativ ultrazvučni postupak za dizajn i proizvodnju takvih metalnih struktura.
U ovom procesu, metali se tretiraju u vodenoj otopini na način da se razvijaju šupljine od nekoliko nanometara, u točno određenim prazninama. Za ove strukture izrađene po mjeri već postoji širok spektar inovativnih primjena, uključujući pročišćavanje zraka, pohranu energije ili medicinsku tehnologiju. Posebno obećavajuće je korištenje poroznih metala u nanokompozitima. To je nova klasa kompozitnih materijala u kojima je vrlo fina matrična struktura ispunjena česticama veličine do 20 nanometara.

Dr. D. Andreeva demonstrira postupak sonikacije čvrstih čestica u vodenoj suspenziji pomoću UIP1000hd ultrazvučni aparat (20 kHz, 1000W). Slika Ch. Wißler

Shematski prikaz utjecaja akustične kavitacije na modifikaciju metalnih čestica.
Slika dr. D. Andreeva
Gornja shema prikazuje učinke akustične kavitacije na modifikaciju metalnih čestica. Metali s niskim talištem (MP) kao što je cink (Zn) potpuno su oksidirani; metali s visokim talištem poput nikla (Ni) i titana (Ti) pokazuju modifikaciju površine pod sonikacijom. Aluminij (Al) i magnezij (Mg) tvore mezoporozne strukture. Nobelovi metali su otporni na ultrazvučno zračenje zbog svoje stabilnosti protiv oksidacije. Točke taljenja metala navedene su u stupnjevima Kelvina (K).

ultrazvučna kavitacija u tekućini
Gornja slika pokazuje da se ultrazvuk može koristiti i za zaštitu aluminijskih legura od korozije. Lijevo: Fotografija aluminijske legure u visoko korozivnoj otopini, ispod elektromikroskopske slike površine, na kojoj je – uslijed sonikacije – nastala polielektrolitna prevlaka. Ovaj premaz pruža zaštitu od korozije 21 dan. Desno: Ista aluminijska legura bez izlaganja sonikaciji. Površina je potpuno korodirana.
Činjenica da različiti metali reagiraju na dramatično različite načine na sonikaciju može se iskoristiti za inovacije u znanosti o materijalima. Legure se na takav način mogu pretvoriti u nanokompozite u kojima su čestice stabilnijeg materijala uklopljene u poroznu matricu manje stabilnog metala. Stoga nastaju vrlo velike površine u vrlo ograničenom prostoru, što omogućuje korištenje ovih nanokompozita kao katalizatora. Oni ostvaruju posebno brze i učinkovite kemijske reakcije.
Zajedno s dr. Darijom Andreevom, istraživači prof. dr. Andreas Fery, dr. Nicolas Pazos-Perez i Jana Schäferhans, također s odjela za fizikalnu kemiju II, pridonijeli su rezultatima istraživanja. Sa svojim kolegama s Instituta Max Planck za koloide i međupovršine u Golmu, Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH i Bjeloruskog državnog sveučilišta u Minsku, objavili su svoje najnovije rezultate online u časopisu “Nanosmjera”.

ultrazvučni procesor UIP1000hd za nano-strukturiranje metala
Referenca:
- Skorb, Ekaterina V.; Fiks, Dimitri; Ščukin, Dmitrij G.; Möhwald, Helmuth; Sviridov, Dmitrij V.; Mousa, Rami; Wanderka, Nelia; Schäferhans, Jana; Pazos-Perez, Nicolas ; Fery, Andreas; Andreeva, Daria V. (2011): Sonokemijska formacija metalnih spužvi. Nanosmjera – Unaprijed prvi 3/3, 2011. 985-993.
- Wißler, Christian (2011.): Visokoprecizno nanostrukturiranje pomoću ultrazvuka: novi postupak za proizvodnju poroznih metala. Blick in die Forschung. Mitteilungen der Universität Bayreuth 05., 2011.
Za daljnje znanstvene informacije obratite se: Dr. Daria Andreeva, Department of Physical Chemistry II University Bayreuth, 95440 Bayreuth, Njemačka – telefon: +49 (0) 921 / 55-2750
e-pošta: daria.andreeva@uni-bayreuth.de
Činjenice koje vrijedi znati
Ultrazvučni homogenizatori tkiva često se nazivaju probe sonicator, sonic lyser, ultrazvučni disruptor, ultrasonic brusilica, sono-ruptor, sonifier, sonic dismembrator, cell disruptor, ultrasonic disperser ili dissolver. Različiti uvjeti proizlaze iz različitih primjena koje se mogu ispuniti sonikacijom.
- miješanje
- Emulgiranje
- Raspršivanje
- deaglomeracija
- mokro mljevenje
- Otplinjavanje
- otapanje
- Izvlačenje
- Homogenizacija tkiva
- Sono-fragmentacija
- vrenje
- pročišćavanje
- sono-sinteza
- sono-kataliza
- taloženje
- Sono-ispiranje
- Degradacija