Nano-strutturazione a ultrasuoni per produrre metalli porosi
sicochimica è uno strumento molto efficace per l'ingegnerizzazione e la funzionalizzazione dei nano materiali. In metallurgia, l'irradiazione a ultrasuoni favorisce la formazione di metalli porosi. Il gruppo di ricerca della dott.ssa Daria Andreeva ha sviluppato una procedura efficace ed economica assistita da ultrasuoni per produrre metalli mesoporosi.
I metalli porosi attirano l'interesse di numerosi settori tecnologici per le loro caratteristiche eccezionali, come la resistenza alla corrosione, la forza meccanica e la capacità di sopportare temperature estremamente elevate. Queste proprietà si basano su superfici nanostrutturate con pori di pochi nanometri di diametro. I materiali mesoporosi sono caratterizzati da dimensioni dei pori comprese tra 2 e 50 nm, mentre i materiali microporosi hanno una dimensione dei pori inferiore a 2 nm. Un gruppo di ricerca internazionale, tra cui la dott.ssa Daria Andreeva dell'Università di Bayreuth (Dipartimento di Chimica Fisica II), ha sviluppato con successo una procedura a ultrasuoni, robusta ed economica, per la progettazione e la produzione di tali strutture metalliche.
In questo processo, i metalli vengono trattati in una soluzione acquosa in modo tale da creare cavità di pochi nanometri, in spazi definiti con precisione. Per queste strutture su misura esiste già un ampio spettro di applicazioni innovative, tra cui la pulizia dell'aria, l'accumulo di energia o la tecnologia medica. Particolarmente promettente è l'uso dei metalli porosi nei nanocompositi. Si tratta di una nuova classe di materiali compositi, in cui una struttura a matrice molto fine è riempita con particelle di dimensioni fino a 20 nanometri.

La dott.ssa D. Andreeva dimostra la procedura di sonicazione di particelle solide in una sospensione acquosa utilizzando il UIP1000hd ultrasuoni (20 kHz, 1000W). Immagine di Ch. Wißler

Presentazione schematica degli effetti della cavitazione acustica sulla modifica delle particelle metalliche.
Immagine del Dr. D. Andreeva
Lo schema sopra riportato mostra gli effetti della cavitazione acustica sulla modifica delle particelle metalliche. I metalli con un basso punto di fusione (MP), come lo zinco (Zn), sono completamente ossidati; i metalli con un alto punto di fusione, come il nichel (Ni) e il titanio (Ti), presentano una modificazione superficiale sotto sonicazione. L'alluminio (Al) e il magnesio (Mg) formano strutture mesoporose. I metalli Nobel sono resistenti all'irradiazione a ultrasuoni grazie alla loro stabilità contro l'ossidazione. I punti di fusione dei metalli sono specificati in gradi Kelvin (K).

Cavitazione ad ultrasuoni in liquido
L'immagine qui sopra mostra che gli ultrasuoni possono essere utilizzati anche per la protezione delle leghe di alluminio dalla corrosione. A sinistra: La foto di una lega di alluminio in una soluzione altamente corrosiva, sotto un'immagine elettomicroscopica della superficie, sulla quale - grazie alla sonicazione - si è formato un rivestimento polielettrolitico. Questo rivestimento offre una protezione contro la corrosione per 21 giorni. A destra: La stessa lega di alluminio senza essere stata esposta alla sonicazione. La superficie è completamente corrosa.
Il fatto che metalli diversi reagiscano in modo drammaticamente diverso alla sonicazione può essere sfruttato per innovazioni nella scienza dei materiali. Le leghe possono essere convertite in nanocompositi in cui le particelle del materiale più stabile sono racchiuse in una matrice porosa del metallo meno stabile. In questo modo si ottengono aree superficiali molto ampie in uno spazio molto limitato, che consentono a questi nanocompositi di essere utilizzati come catalizzatori. Essi producono reazioni chimiche particolarmente rapide ed efficienti.
Insieme a Daria Andreeva, hanno contribuito ai risultati della ricerca i ricercatori Prof. Dr. Andreas Fery, Dr. Nicolas Pazos-Perez e Jana Schäferhans, anch'essi del dipartimento di Chimica Fisica II. Insieme ai loro colleghi dell'Istituto Max Planck per i Colloidi e le Interfacce di Golm, dell'Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH e dell'Università Statale Bielorussa di Minsk, hanno pubblicato i loro ultimi risultati online sulla rivista “Nanoscala”.

Processore a ultrasuoni UIP1000hd per la nanostrutturazione dei metalli
Riferimento:
- Skorb, Ekaterina V.; Fix, Dimitri; Shchukin, Dmitry G.; Möhwald, Helmuth; Sviridov, Dmitry V.; Mousa, Rami; Wanderka, Nelia; Schäferhans, Jana; Pazos-Perez, Nicolas ; Fery, Andreas; Andreeva, Daria V. (2011): Formazione sionochimica di spugne metalliche. Nanoscala – Prima anticipazione 3/3, 2011. 985-993.
- Wißler, Christian (2011): Nanostrutturazione ad alta precisione con gli ultrasuoni: nuova procedura per produrre metalli porosi. Blick in die Forschung. Mitteilungen der Universität Bayreuth 05, 2011.
Per ulteriori informazioni scientifiche, si prega di contattare: Dr. Daria Andreeva, Dipartimento di Chimica Fisica II Università di Bayreuth, 95440 Bayreuth, Germania – telefono: +49 (0) 921 / 55-2750
e-mail: daria.andreeva@uni-bayreuth.de
Particolarità / Cose da sapere
Gli omogeneizzatori di tessuti a ultrasuoni sono spesso indicati come sonicatore a sonda, lisatore sonico, disgregatore a ultrasuoni, macinatore a ultrasuoni, sono-ruptor, sonificatore, smembratore sonico, disgregatore cellulare, dispersore o dissolutore a ultrasuoni. I diversi termini derivano dalle varie applicazioni che possono essere realizzate con la sonicazione.
- miscelazione
- la emulsione
- la dispersione
- deagglomerazione
- macinazione a umido
- Degasificazione
- dissoluzione
- estrazione
- omogeneizzazione dei tessuti
- sono-frammentazione
- fermentazione
- purificazione
- sintesi sonora
- sono-catalisi
- precipitazione
- Lisciviazione con i raggi sonici
- Degradazione