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.
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).
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”.
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