Ultrazvučno nanostrukturiranje za proizvodnju poroznih metala

Sonokemija je vrlo učinkovit alat za oblikovanje i funkcionalizaciju nanomaterijala. U metalurgiji ultrazvučno ozračivanje potiče nastanak poroznih metala. Istraživačka skupina dr. Darije Andreeve razvila je učinkovit i troškovno isplativ postupak potpomognut ultrazvukom za proizvodnju mezoporoznih metala.

Porozni metali izazivaju veliko zanimanje u raznim tehnološkim granama zbog svojih izvanrednih svojstava, kao što su otpornost na koroziju, mehanička čvrstoća i sposobnost podnošenja iznimno visokih temperatura. Ta se svojstva temelje na nanostrukturiranim površinama s porama promjera od samo nekoliko nanometara. Mezoporozne materijale karakteriziraju veličine pora između 2 i 50 nm, dok mikroporozni materijali imaju pore veličine manje od 2nm. Međunarodni istraživački tim, u kojem sudjeluje i dr. Daria Andreeva sa Sveučilišta u Bayreuthu (Odjel za fizikalnu kemiju II), uspješno je razvio robustan i troškovno isplativ ultrazvučni postupak za oblikovanje i proizvodnju takvih metalnih struktura.

U tom se postupku metali obrađuju u vodenoj otopini tako da se na precizno definiranim razmacima razvijaju šupljine veličine nekoliko nanometara. Za te strukture izrađene po mjeri već postoji širok spektar inovativnih primjena, uključujući pročišćavanje zraka, pohranu energije ili medicinsku tehnologiju. Posebno obećava primjena poroznih metala u nanokompozitima. To je nova klasa kompozitnih materijala u kojima je vrlo fina struktura matrice ispunjena česticama veličine do 20 nanometara.

Nova tehnika koristi proces ultrazvučnog stvaranja mjehurića, koji se u fizici naziva kavitacija (od lat. “cavus” = “šuplji”). U pomorstvu se tog procesa pribojavaju zbog velikih oštećenja koja može prouzročiti na brodskim propelerima i turbinama. Naime, pri vrlo velikim brzinama vrtnje pod vodom nastaju mjehurići pare. Nakon kratkog vremena pod iznimno visokim tlakom mjehurići se urušavaju prema unutra te tako deformiraju metalne površine. Proces kavitacije može se izazvati i ultrazvukom. Ultrazvuk se sastoji od kompresijskih valova s frekvencijama iznad čujnog raspona (20 kHz) i stvara vakuumske mjehuriće u vodi i vodenim otopinama. Pri imploziji tih mjehurića nastaju temperature od nekoliko tisuća stupnjeva Celzija i iznimno visoki tlakovi do 1000 bar.

Gornja shema prikazuje učinke akustične kavitacije na modifikaciju metalnih čestica. Metali s niskim talištem (MP), poput cinka (Zn), potpuno se oksidiraju; metali s visokim talištem, poput nikla (Ni) i titanija (Ti), pri sonikaciji pokazuju promjene površine. Aluminij (Al) i magnezij (Mg) tvore mezoporozne strukture. Plemeniti metali otporni su na ultrazvučno ozračivanje zbog svoje otpornosti na oksidaciju. Tališta metala navedena su u stupnjevima Kelvina (K).

Precizna kontrola tog procesa može dovesti do ciljanog nanostrukturiranja metala suspendiranih u vodenoj otopini – uz određena fizikalna i kemijska svojstva metala. Naime, metali vrlo različito reagiraju kada su izloženi takvoj sonikaciji, kako je pokazala dr. Daria Andreeva zajedno sa svojim kolegama u Golmu, Berlinu i Minsku. U metalima visoke reaktivnosti, poput cinka, aluminija i magnezija, postupno se stvara struktura matrice stabilizirana oksidnom prevlakom. Tako nastaju porozni metali koji se, primjerice, mogu dalje prerađivati u kompozitne materijale. Međutim, plemeniti metali poput zlata, platine, srebra i paladija ponašaju se drukčije. Zbog male sklonosti oksidaciji otporni su na ultrazvučnu obradu te zadržavaju svoje početne strukture i svojstva.

Gornja slika pokazuje da se ultrazvuk može koristiti i za zaštitu aluminijskih legura od korozije. Lijevo: fotografija aluminijske legure u izrazito korozivnoj otopini, a ispod nje elektronskomikroskopska snimka površine na kojoj je – uslijed sonikacije – nastala polielektrolitna prevlaka. Ta prevlaka pruža zaštitu od korozije tijekom 21 dana. Desno: ista aluminijska legura koja nije bila izložena sonikaciji. Površina je potpuno korodirala.

Činjenica da različiti metali izrazito različito reagiraju na sonikaciju može se iskoristiti za inovacije u znanosti o materijalima. Legure se na taj način mogu pretvoriti u nanokompozite u kojima su čestice stabilnijeg materijala obavijene poroznom matricom manje stabilnog metala. Tako na vrlo ograničenom prostoru nastaju vrlo velike površine, što omogućuje primjenu tih nanokompozita kao katalizatora. Oni omogućuju osobito brze i učinkovite kemijske reakcije.

Uz dr. Dariju Andreevu, istraživačkim rezultatima pridonijeli su prof. dr. Andreas Fery, dr. Nicolas Pazos-Perez i Jana Schäferhans, također s Odjela za fizikalnu kemiju II. Zajedno s kolegama s Instituta Max Planck za koloide i međupovršine u Golmu, iz ustanove Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH te s Bjeloruskog državnog sveučilišta u Minsku objavili su svoje najnovije rezultate na internetu u časopisu “Nanoscale”.