Ուլտրաձայնային նանո-կառուցվածք՝ ծակոտկեն մետաղներ արտադրելու համար

Սոնոքիմիա շատ արդյունավետ գործիք է նանո նյութերի ինժեներական և ֆունկցիոնալացման համար: Մետալուրգիայում ուլտրաձայնային ճառագայթումը նպաստում է ծակոտկեն մետաղների առաջացմանը: Բ.

Ծակոտկեն մետաղները գրավում են բազմազան տեխնոլոգիական ճյուղերի մեծ հետաքրքրությունը՝ շնորհիվ իրենց ակնառու բնութագրերի, ինչպիսիք են կոռոզիոն դիմադրությունը, մեխանիկական ուժը և չափազանց բարձր ջերմաստիճաններին դիմակայելու կարողությունը: Այս հատկությունները հիմնված են միայն մի քանի նանոմետր տրամագծով ծակոտիներով նանոկառուցվածքային մակերեսների վրա: Միջծակոտկեն նյութերը բնութագրվում են 2-ից 50 նմ պոզային չափերով, մինչդեռ միկրոծակոտկեն նյութը ծակոտիների չափը 2 նմ-ից պակաս է: Միջազգային հետազոտական թիմը, ներառյալ Բայրոյթի համալսարանի դոկտոր Դարիա Անդրեևան (Ֆիզիկական քիմիայի 2-րդ ամբիոն), հաջողությամբ մշակել է ծանր և ծախսարդյունավետ ուլտրաձայնային ընթացակարգ նման մետաղական կառույցների նախագծման և արտադրության համար:

Այս գործընթացում մետաղները մշակվում են ջրային լուծույթում այնպես, որ մի քանի նանոմետրանոց խոռոչները զարգանում են՝ ճշգրիտ սահմանված բացերով: Այս հարմարեցված կառույցների համար արդեն կա նորարարական կիրառությունների լայն սպեկտր, ներառյալ օդի մաքրումը, էներգիայի պահեստավորումը կամ բժշկական տեխնոլոգիաները: Հատկապես խոստումնալից է ծակոտկեն մետաղների օգտագործումը նանոկոմպոզիտներում: Սրանք կոմպոզիտային նյութերի նոր դաս են, որոնցում շատ նուրբ մատրիցային կառուցվածքը լցված է մինչև 20 նանոմետր չափերի մասնիկներով:

Նոր տեխնիկան օգտագործում է ուլտրաձայնային եղանակով առաջացած պղպջակների ձևավորման գործընթաց, որը ֆիզիկայում կոչվում է կավիտացիա (ստացված լատ. “կավուս” = “խոռոչ”) Ծովագնացության մեջ այս գործընթացից վախենում են այն մեծ վնասի պատճառով, որը կարող է պատճառել նավերի պտուտակներ և տուրբիններ: Շատ բարձր պտույտի դեպքում ջրի տակ գոլորշու պղպջակներ են ձևավորվում: Չափազանց բարձր ճնշման տակ կարճ ժամանակահատվածից հետո փուչիկները փլվում են ներքուստ՝ դեֆորմացնելով մետաղական մակերեսները։ Գործընթացը կավիտացիա կարող է առաջանալ նաև ուլտրաձայնի միջոցով: Ուլտրաձայնը կազմված է սեղմման ալիքներից, որոնց հաճախականությունը բարձր է լսելի միջակայքից (20 կՀց) և առաջացնում է վակուումային փուչիկներ ջրի և ջրային լուծույթներում: Այս փուչիկները պայթելիս առաջանում են մի քանի հազար աստիճանի ջերմաստիճան և մինչև 1000 բար չափազանց բարձր ճնշում:

Վերոնշյալ սխեման ցույց է տալիս ակուստիկ կավիտացիայի ազդեցությունը մետաղական մասնիկների փոփոխության վրա: Ցինկի (Zn) նման ցածր հալման կետ ունեցող մետաղները ամբողջությամբ օքսիդացված են. Հալման բարձր ջերմաստիճան ունեցող մետաղները, ինչպիսիք են նիկելը (Ni) և տիտանը (Ti), մակերևույթի ձևափոխություն են ցուցաբերում արտահոսքի ազդեցության տակ: Ալյումինը (Al) և մագնեզիումը (Mg) կազմում են մեզոպորոզ կառուցվածքներ։ Նոբելյան մետաղները դիմացկուն են ուլտրաձայնային ճառագայթման՝ օքսիդացման դեմ իրենց կայունության շնորհիվ։ Մետաղների հալման կետերը նշված են Քելվին (K) աստիճաններով։

Այս գործընթացի ճշգրիտ վերահսկումը կարող է հանգեցնել ջրային լուծույթում կասեցված մետաղների նպատակային նանոկառուցվածքի` հաշվի առնելով մետաղների որոշակի ֆիզիկական և քիմիական բնութագրերը: Քանի որ մետաղները շատ տարբեր կերպ են արձագանքում, երբ ենթարկվում են նման հնչյունավորման, ինչպես ցույց է տվել բժիշկ Դարիա Անդրեևան Գոլմի, Բեռլինի և Մինսկի իր գործընկերների հետ: Բարձր ռեակտիվություն ունեցող մետաղներում, ինչպիսիք են ցինկը, ալյումինը և մագնեզիումը, աստիճանաբար ձևավորվում է մատրիցային կառուցվածք, որը կայունանում է օքսիդային ծածկույթով: Սա հանգեցնում է ծակոտկեն մետաղների, որոնք, օրինակ, կարող են հետագայում մշակվել կոմպոզիտային նյութերում: Ազնիվ մետաղները, ինչպիսիք են ոսկին, պլատինը, արծաթը և պալադիումը, սակայն տարբեր կերպ են վարվում: Իրենց ցածր օքսիդացման հակման պատճառով նրանք դիմադրում են ուլտրաձայնային բուժմանը և պահպանում են իրենց սկզբնական կառուցվածքն ու հատկությունները:

Վերևի նկարը ցույց է տալիս, որ ուլտրաձայնը կարող է օգտագործվել նաև ալյումինե համաձուլվածքները կոռոզիայից պաշտպանելու համար: Ձախ կողմում. Ալյումինի համաձուլվածքի լուսանկարը բարձր քայքայիչ լուծույթում, մակերեսի էլեկտոմիկրոսկոպիկ պատկերից ներքև, որի վրա, ձայնային ազդեցության շնորհիվ, ձևավորվել է պոլիէլեկտրոլիտային ծածկույթ: Այս ծածկույթը պաշտպանում է կոռոզիայից 21 օր: Աջ կողմում. Նույն ալյումինե համաձուլվածքն առանց ձայնային ազդեցության ենթարկվելու: Մակերեսն ամբողջությամբ կոռոզիայից է։

Այն փաստը, որ տարբեր մետաղներ կտրուկ տարբեր կերպ են արձագանքում ձայնային արտանետմանը, կարող է օգտագործվել նյութագիտության մեջ նորարարությունների համար: Համաձուլվածքները կարող են վերածվել նանոկոմպոզիտների, որոնցում ավելի կայուն նյութի մասնիկները պարուրված են պակաս կայուն մետաղի ծակոտկեն մատրիցով: Այսպիսով, շատ մեծ մակերեսներ են առաջանում շատ սահմանափակ տարածության մեջ, ինչը թույլ է տալիս այս նանոկոմպոզիտներին օգտագործել որպես կատալիզատորներ: Դրանք ազդում են հատկապես արագ և արդյունավետ քիմիական ռեակցիաների վրա:

Դոկտոր Դարիա Անդրեևայի հետ հետազոտողներ պրոֆեսոր Անդրեաս Ֆերին, դոկտոր Նիկոլաս Պազոս-Պերեսը և Յանա Շեֆերհանսը, ինչպես նաև Ֆիզիկական քիմիայի II բաժնից, նպաստեցին հետազոտության արդյունքներին: Գոլմի Մաքս Պլանկի կոլոիդների և ինտերֆեյսների ինստիտուտի, Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH-ի և Բելառուսի պետական համալսարանի իրենց գործընկերների հետ Մինսկում իրենց վերջին արդյունքները հրապարակել են առցանց ամսագրում: “Նանոմաշտաբ”.