Ultrahangos nano-strukturálás porózus fémek előállításához

Sonokémia nagyon hatékony eszköz a nanoanyagok tervezésére és funkcionalizálására. A kohászatban az ultrahangos besugárzás elősegíti a porózus fémek képződését. Dr. Daria Andreeva kutatócsoportja hatékony és költséghatékony ultrahanggal támogatott eljárást fejlesztett ki mezopórusos fémek előállítására.

A porózus fémek nagy érdeklődést váltanak ki a sokrétű technológiai ágak körében kiemelkedő tulajdonságaik miatt, mint például korrózióállóságuk, mechanikai szilárdságuk és rendkívül magas hőmérsékletnek való ellenálló képességük. Ezek a tulajdonságok a nanoszerkezetű felületeken alapulnak, amelyek pórusai csak néhány nanométer átmérőjűek. A mezopórusos anyagokat 2 és 50 nm közötti pózméretek jellemzik, míg a mikroporózus anyagok pórusmérete kisebb, mint 2 nm. Egy nemzetközi kutatócsoport, köztük Dr. Daria Andreeva a Bayreuthi Egyetemről (II. Fizikai Kémiai Tanszék) sikeresen kifejlesztett egy nagy teherbírású és költséghatékony ultrahang eljárást az ilyen fémszerkezetek tervezésére és gyártására.

Ebben a folyamatban a fémeket vizes oldatban kezelik oly módon, hogy néhány nanométeres üregek alakuljanak ki, pontosan meghatározott résekben. Ezekhez a testreszabott szerkezetekhez már az innovatív alkalmazások széles spektruma áll rendelkezésre, beleértve a légtisztítást, az energiatárolást vagy az orvostechnikát. Különösen ígéretes a porózus fémek használata nanokompozitokban. Ezek a kompozit anyagok új osztálya, amelyben egy nagyon finom mátrixszerkezet akár 20 nanométer méretű részecskékkel van kitöltve.

Az új technika az ultrahanggal generált buborékképződés folyamatát használja, amelyet a fizikában kavitációnak neveznek (a lat. “barlang” = “üreges”). A tengerészetben ettől a folyamattól tartanak, mivel nagy károkat okozhat a hajócsavarokban és a turbinákban. Nagyon nagy forgási sebességnél gőzbuborékok képződnek víz alatt. Rövid idő elteltével rendkívül nagy nyomás alatt a buborékok befelé összeomlanak, így deformálják a fémfelületeket. A folyamat Kavitáció ultrahanggal is előállítható. Az ultrahang kompressziós hullámokból áll, amelyek frekvenciája meghaladja a hallható tartományt (20 kHz), és vákuumbuborékokat generál vízben és vizes oldatokban. Több ezer Celsius-fokos hőmérséklet és rendkívül magas, akár 1000 bar nyomás keletkezik, amikor ezek a buborékok összeomlanak.

A fenti séma az akusztikus kavitáció hatását mutatja a fémrészecskék módosítására. Az alacsony olvadáspontú (MP) fémek, mint a cink (Zn), teljesen oxidálódnak; a magas olvadáspontú fémek, mint a nikkel (Ni) és a titán (Ti) felületi módosítást mutatnak szonikálás alatt. Az alumínium (Al) és a magnézium (Mg) mezopórusos szerkezetet képez. A Nobel-fémek ellenállnak az ultrahang besugárzásnak, mivel stabilak az oxidációval szemben. A fémek olvadáspontját Kelvin-fokban (K) adjuk meg.

Ennek a folyamatnak a pontos ellenőrzése a vizes oldatban szuszpendált fémek célzott nanostrukturálásához vezethet – figyelembe véve a fémek bizonyos fizikai és kémiai jellemzőit. A fémek nagyon eltérően reagálnak, amikor ilyen szonikációnak vannak kitéve, amint azt Dr. Daria Andreeva Golmban, Berlinben és Minszkben dolgozó kollégáival együtt kimutatta. A nagy reakcióképességű fémekben, mint például a cink, alumínium és magnézium, fokozatosan mátrixszerkezet alakul ki, amelyet oxidbevonat stabilizál. Ez porózus fémeket eredményez, amelyek például kompozit anyagokban tovább feldolgozhatók. A nemesfémek, például az arany, a platina, az ezüst és a palládium azonban másképp viselkednek. Alacsony oxidációs hajlamuk miatt ellenállnak az ultrahangos kezelésnek, és megtartják kezdeti szerkezetüket és tulajdonságaikat.

A fenti kép azt mutatja, hogy az ultrahang alumíniumötvözetek korrózió elleni védelmére is használható. Balra: Egy alumíniumötvözet fényképe erősen korrozív oldatban, a felület elektomikroszkópos képe alatt, amelyen - szonikálás következtében - poliekkolit bevonat alakult ki. Ez a bevonat 21 napig védelmet nyújt a korrózió ellen. A jobb oldalon: Ugyanaz az alumíniumötvözet anélkül, hogy szonikációnak lenne kitéve. A felület teljesen korrodált.

Az a tény, hogy a különböző fémek drámaian eltérő módon reagálnak az ultrahangos kezelésre, kihasználható az anyagtudomány innovációihoz. Az ötvözetek oly módon alakíthatók át nanokompozitokká, amelyekben a stabilabb anyag részecskéi a kevésbé stabil fém porózus mátrixába vannak burkolva. Így nagyon nagy felületek keletkeznek nagyon korlátozott térben, ami lehetővé teszi ezeknek a nanokompozitoknak a katalizátorként való felhasználását. Különösen gyors és hatékony kémiai reakciókat fejtenek ki.

Dr. Daria Andreevával együtt Prof. Dr. Andreas Fery, Dr. Nicolas Pazos-Perez és Jana Schäferhans, szintén a II. Fizikai Kémia Tanszék kutatói járultak hozzá a kutatási eredményekhez. A golmi Max Planck Kolloidok és Interfészek Intézetében, a Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH-ban és a minszki Belarusz Állami Egyetemen dolgozó kollégáikkal közösen publikálták legfrissebb eredményeiket online a folyóiratban “Nanoméretű”.