Hielscher Ultrasonics
Saremo lieti di discutere il vostro processo.
Chiamateci: +49 3328 437-420
Inviateci una mail: info@hielscher.com

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.

L'UIP1000hd è un potente dispositivo a ultrasuoni, utilizzato per l'ingegneria dei materiali, la nano strutturazione e la modifica delle particelle. (Fare clic per ingrandire)

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

La nuova tecnica utilizza un processo di formazione di bolle generato dagli ultrasuoni, che in fisica viene definito cavitazione (derivato dal lat. “cavus” = “cava”). Nella navigazione marittima, questo processo è temuto a causa dei gravi danni che può causare alle eliche e alle turbine delle navi. Infatti, a velocità di rotazione molto elevate, si formano bolle di vapore sotto l'acqua. Dopo un breve periodo di tempo ad altissima pressione, le bolle collassano verso l'interno, deformando le superfici metalliche. Il processo di cavitazione possono essere generati anche con gli ultrasuoni. Gli ultrasuoni sono composti da onde di compressione con frequenze superiori alla gamma udibile (20 kHz) e generano bolle di vuoto in acqua e soluzioni acquose. Quando queste bolle implodono si raggiungono temperature di diverse migliaia di gradi centigradi e pressioni estremamente elevate, fino a 1000 bar.

Il dispositivo a ultrasuoni UIP1000hd è stato utilizzato per la nanostrutturazione di metalli altamente porosi. (Fare clic per ingrandire!)

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).

Un controllo preciso di questo processo può portare a una nanostrutturazione mirata dei metalli sospesi in una soluzione acquosa - date determinate caratteristiche fisiche e chimiche dei metalli. Infatti, i metalli reagiscono in modo molto diverso quando vengono esposti a tale sonicazione, come ha dimostrato la dott.ssa Daria Andreeva insieme ai suoi colleghi di Golm, Berlino e Minsk. Nei metalli ad alta reattività come lo zinco, l'alluminio e il magnesio, si forma gradualmente una struttura a matrice, stabilizzata da un rivestimento di ossido. Si ottengono così metalli porosi che possono essere ulteriormente lavorati in materiali compositi. I metalli nobili come l'oro, il platino, l'argento e il palladio si comportano invece in modo diverso. Grazie alla loro bassa tendenza all'ossidazione, resistono al trattamento a ultrasuoni e mantengono le loro strutture e proprietà iniziali.

Con la sonicazione, si può formare un rivestimento polielettrolitico che protegge dalla corrosione. (Clicca per ingrandire!)

Protezione a ultrasuoni delle leghe di alluminio contro la corrosione. [© Skorb et al. 2011]

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”.

L'ultrasuonatore UIP1000hd di Hielscher è stato utilizzato con successo per la formazione di metalli mesoporosi. (Clicca per ingrandire!)

Processore a ultrasuoni UIP1000hd per la nanostrutturazione dei metalli

Contattateci per richiedere maggiori informazioni!

Non esitate a contattarci per parlare di vostro bisogno di progetto. Raccomanderemo i parametri di impostazione ed elaborazione più adatti per il vostro progetto.





Si prega di notare il nostro Informativa sulla privacy.


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.

Saremo lieti di discutere il vostro processo.

Let's get in contact.