Ultrahangos nanostrukturálás porózus fémek előállítására

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

A porózus fémek számos technológiai ágazatban nagy érdeklődést keltenek kiemelkedő tulajdonságaik, például korrózióállóságuk, mechanikai szilárdságuk és rendkívül magas hőmérsékletekkel szembeni ellenálló képességük miatt. Ezek a tulajdonságok a nanostrukturált felületeken alapulnak, amelyek pórusainak átmérője mindössze néhány nanométer. A mezopórusos anyagokat 2 és 50 nm közötti pórusméret jellemzi, míg a mikropórusos anyagok pórusmérete kisebb mint 2nm. Egy nemzetközi kutatócsoport, amelynek tagja Dr. Daria Andreeva, a Bayreuthi Egyetem II. Fizikai Kémiai Tanszékének munkatársa is, sikeresen kifejlesztett egy nagy teljesítményű és költséghatékony ultrahangos eljárást ilyen fémszerkezetek tervezésére és előállítására.

Ebben az eljárásban a fémeket vizes oldatban úgy kezelik, hogy néhány nanométeres üregek alakuljanak ki pontosan meghatározott közökben. Ezekhez a célzottan kialakított szerkezetekhez már most is innovatív alkalmazások széles köre áll rendelkezésre, többek között a levegőtisztítás, az energiatárolás és az orvostechnika területén. Különösen ígéretes a porózus fémek alkalmazása nanokompozitokban. Ezek a kompozit anyagok új osztályát alkotják, amelyben egy nagyon finom mátrixszerkezetet legfeljebb 20 nanométer méretű részecskékkel töltenek ki.

Az új technika az ultrahanggal előidézett buborékképződés folyamatát használja, amelyet a fizikában kavitációnak neveznek (a latin „cavus” = „üreges” szóból). A hajózásban tartanak ettől a folyamattól, mert súlyos károkat okozhat a hajócsavarokban és a turbinákban. Nagyon magas fordulatszámon ugyanis gőzbuborékok képződnek a víz alatt. Rendkívül nagy nyomáson a buborékok rövid idő után befelé összeomlanak, és ezzel deformálják a fémfelületeket. A kavitáció folyamata ultrahanggal is előidézhető. Az ultrahang a hallható tartomány (20 kHz) feletti frekvenciájú kompressziós hullámokból áll, és vákuumbuborékokat hoz létre a vízben és a vizes oldatokban. Amikor ezek a buborékok befelé összeomlanak, több ezer Celsius-fokos hőmérséklet és rendkívül nagy, akár 1000 bar nyomás alakul ki.

A fenti ábra az akusztikus kavitáció fémrészecskék módosítására gyakorolt hatásait mutatja. Az alacsony olvadáspontú (MP) fémek, például a cink (Zn), teljesen oxidálódnak; a magas olvadáspontú fémek, például a nikkel (Ni) és a titán (Ti), felületmódosulást mutatnak az ultrahangos kezelés során. Az alumínium (Al) és a magnézium (Mg) mezopórusos szerkezeteket alkot. A nemesfémek az oxidációval szembeni stabilitásuk miatt ellenállnak az ultrahangos besugárzásnak. A fémek olvadáspontja Kelvin-fokban (K) van megadva.

E folyamat pontos szabályozása a vizes oldatban szuszpendált fémek célzott nanostrukturálásához vezethet – a fémek bizonyos fizikai és kémiai tulajdonságai esetén. A fémek ugyanis nagyon eltérően reagálnak az ilyen ultrahangos kezelésre, amint azt Dr. Daria Andreeva golmi, berlini és minszki kollégáival együtt kimutatta. A nagy reakcióképességű fémekben, például a cinkben, az alumíniumban és a magnéziumban fokozatosan mátrixszerkezet alakul ki, amelyet oxidbevonat stabilizál. Ennek eredményeként porózus fémek jönnek létre, amelyek például tovább feldolgozhatók kompozit anyagokban. A nemesfémek, például az arany, a platina, az ezüst és a palládium azonban másképpen viselkednek. Csekély oxidációs hajlamuk miatt ellenállnak az ultrahangos kezelésnek, és megőrzik eredeti szerkezetüket és tulajdonságaikat.

A fenti kép azt mutatja, hogy az ultrahang az alumíniumötvözetek korrózió elleni védelmére is használható. Bal oldalon: Egy alumíniumötvözet fényképe erősen korrozív oldatban, alatta a felület elektronmikroszkópos képe, amelyen – az ultrahangos kezelés hatására – polielektrolit-bevonat képződött. Ez a bevonat 21 napig nyújt védelmet a korrózió ellen. Jobb oldalon: Ugyanaz az alumíniumötvözet ultrahangos kezelés nélkül. A felület teljesen korrodálódott.

Az a tény, hogy a különböző fémek rendkívül eltérően reagálnak az ultrahangos kezelésre, anyagtudományi innovációkhoz használható fel. Az ötvözetek ily módon olyan nanokompozitokká alakíthatók, amelyekben a stabilabb anyag részecskéit a kevésbé stabil fém porózus mátrixa veszi körül. Így nagyon kis térben igen nagy felületek jönnek létre, amelyek lehetővé teszik e nanokompozitok katalizátorként való alkalmazását. Különösen gyors és hatékony kémiai reakciókat idéznek elő.

Dr. Daria Andreeva mellett Prof. Dr. Andreas Fery, Dr. Nicolas Pazos-Perez és Jana Schäferhans kutatók is hozzájárultak a kutatási eredményekhez; ők szintén a II. Fizikai Kémiai Tanszék munkatársai. A golmi Max Planck Kolloid- és Határfelület-kutató Intézetben, a Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH-nál és a minszki Fehérorosz Állami Egyetemen dolgozó kollégáikkal együtt a „Nanoscale” folyóiratban tették közzé online legújabb eredményeiket.