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.

Nova tehnika koristi proces ultrazvučno generiranog stvaranja mjehurića, koji se u fizici naziva kavitacija (izvedeno od lat. “cavus” = “šuplje”). U pomorstvu se od ovog procesa strahuje zbog velike štete koju može izazvati na brodskim propelerima i turbinama. Jer pri vrlo velikim brzinama rotacije pod vodom se stvaraju mjehurići pare. Nakon kratkog razdoblja pod ekstremno visokim pritiskom mjehurići se skupljaju prema unutra, deformirajući tako metalne površine. Proces od kavitacija također se može generirati pomoću ultrazvuka. Ultrazvuk se sastoji od kompresijskih valova s frekvencijama iznad čujnog raspona (20 kHz) i stvara vakuumske mjehuriće u vodi i vodenim otopinama. Temperature od nekoliko tisuća stupnjeva Celzijusa i ekstremno visoki tlakovi do 1000 bara nastaju kada ti mjehurići implodiraju.

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).

Precizna kontrola ovog procesa može dovesti do ciljanog nanostrukturiranja metala suspendiranih u vodenoj otopini – s obzirom na određena fizikalna i kemijska svojstva metala. Jer metali vrlo različito reagiraju kada su izloženi takvoj sonikaciji, kao što je pokazala dr. Daria Andreeva zajedno sa svojim kolegama u Golmu, Berlinu i Minsku. U metalima s visokom reaktivnošću kao što su cink, aluminij i magnezij, postupno se formira matrična struktura, stabilizirana oksidnom prevlakom. To rezultira poroznim metalima koji se, primjerice, mogu dalje obraditi u kompozitne materijale. Međutim, plemeniti metali poput zlata, platine, srebra i paladija ponašaju se drugačije. Zbog niske sklonosti oksidaciji otporni su na tretman ultrazvukom i zadržavaju svoju početnu strukturu i svojstva.

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”.